Физики из международного научного проекта Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) официально подтвердили экспериментальное обнаружение гравитационных волн. Оно было получено спустя 100 лет после их теоретического предсказания, сделанного Альбертом Эйнштейном в рамках Общей теории относительности. Благодаря этому открытию астрономы получили новый метод изучения редких космических феноменов.

Согласно ОТО, пара массивных объектов при движении вокруг общего центра масс постепенно теряет энергию, испуская гравитационные волны. Объекты двойной системы медленно сближаются миллионы и даже миллиарды лет. По мере сокращения расстояния между ними этот процесс ускоряется. На заключительном этапе своей эволюции двойная система в считанные минуты схлопывается с образованием общего сверхмассивного тела. При этом испускается колоссальное количество энергии-массы и возникают особенно мощные гравитационные волны, которые предположительно можно зарегистрировать на Земле.

Гравитационные волны при слиянии двойных звёзд (графика: MIT).
Гравитационные волны при слиянии двойных звёзд (графика: MIT).

Наиболее мощными источниками гравитационных волн считаются двойные системы, состоящие из нейтронных звёзд, пульсаров или чёрных дыр в любом сочетании. На протяжении ста лет эти предположения были лишь красивой теорией, для подтверждения которой требовалось детектировать хотя бы одну волну, искривляющую саму ткань пространства.

Существование гравитационных волн косвенно подтверждалось в 1970-х и 1980-х американским физиком Джозефом Хотоном Тейлором младшим. Вместе с Расселом Хулсом он обнаружил в 1974 году двойную систему, состоящую из пульсара на орбите вокруг нейтронной звезды. Они вычислили, что орбита пульсара очень медленно уменьшается, после чего предположили, что это происходит из-за потери энергии в форме гравитационных волн. За открытие двойной системы с пульсаром и описание её эволюции они получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году. Однако научному сообществу по-прежнему требовались более весомые доказательства.

Если вы читали о фильме «Интерстеллар», то наверняка знаете, что его сценарий частично основывается на расчётах Кипа Торна – астрофизика, специалиста в области теории гравитации и эксперта по ОТО. Он был награждён медалью Альберта Эйнштейна в 2009 году, когда закончил свою работу в Калтехе.

Именно этот человек оказал ключевое влияние на проект строительства лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваторий (LIGO), который был предложен в 1968 году Рэйнером Вайсом, преподавателем физики в MIT. Благодаря поддержке Кипа Торна и Рональда Древера (коллеги Торна по Калтеху) проект начал развиваться в восьмидесятых годах и вскоре нашёл своих инвесторов.

Внутри LIGO на этапе конструкции (фото: MIT).
Внутри LIGO на этапе конструкции (фото: MIT).

«В 1992 году было утверждено начальное финансирование LIGO. Проект потребовал самых больших инвестиций, которые мы когда-либо делали, – говорит астрофизик и директор NSF Франс Анна-Доминик Кордова. – Это был большой риск, но Национальный научный фонд понимает необходимость таких рисков. Мы поддерживаем фундаментальную науку и финансируем новаторов».

Спустя десять лет были построены две обсерватории и начались первые наблюдения. Долгое время гравитационные волны не удавалось обнаружить из-за их едва уловимого влияния. По расчётам волна средней мощности может искривить участок пространства километровых масштабов меньше чем на тысячную долю диаметра протона. Исследователи ждали астрономического события, которое породит особенно мощные гравитационные волны. Параллельно они совершенствовали оборудование, повышая чувствительность датчиков и систему их стабилизации. После очередного апгрейда в прошлом году детекторы LIGO стали способны фиксировать изменение относительной разницы длины плеч интерферометра в пределах 10-21 м.

Детекторы LIGO удалены друг от друга на 3002 километра. Они расположенных в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон). Каждый из них содержит интерферометр Майкельсона внутри системы труб с глубоким вакуумом. В Ливингстоне установлен основной детектор. Его трубы L-образной формы диаметром 1,2 метра образуют плечи интерферометра длиной 4000 м. В Хэнфорде находится вспомогательный детектор вдвое меньшей длины. Каждое из плеч обоих интерферометров содержит дополнительные зеркала, благодаря которым формируется резонансная стоячая оптическая волна.

Схема двухлучевого интерферометра (изображение: MIT).
Схема двухлучевого интерферометра (изображение: MIT).

В проекте LIGO используется непрерывная оценка интерференционной картины. Луч лазера сначала расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом. Затем оба луча отражаются каждый от своего дополнительного зеркала и попадают обратно на зеркало-делитель под одинаковыми углами, но с разных сторон. Два луча снова собираются в один и направляются в фотодетектор, расположенный перпендикулярно источнику.

Когда обсерватория находится в исходном состоянии, лазерные лучи после воссоединения гасят друг друга. Если любое из зеркал сместится хоть на доли световой волны, деструктивная интерференция исчезнет, а фотодетектор зафиксирует лазерный импульс. Благодаря такой схеме достигается оптическая регистрация сверхмалых сдвигов, которые способна вызвать мощная гравитационная волна.

Малейший сдвиг любого зеркала прекращает деструктивную интерференцию, и фотодетектор регистрирует свет (изображение: MIT).
Малейший сдвиг любого зеркала прекращает деструктивную интерференцию, и фотодетектор регистрирует свет (изображение: MIT).

14 сентября 2015 в 13:51 по московскому времени гравитационные волны были обнаружены на обоих детекторах LIGO. Сто пятьдесят дней потребовалось на анализ собранных данных и проверку результатов совместно со специалистами из аналогичного европейского проекта Virgo. В масштабном исследовании приняли участие более тысячи учёных из 90 университетов 15 стран. Россию в нём представляли Физический факультет МГУ и Институт прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде.

Помимо едва уловимых гравитационных волн смещение зеркал в детекторе вызывают и более прозаичные эффекты, например – сейсмическая активность. Однако характер регистрируемого сигнала в этом случае будет другим. Весьма трудоёмким этапом эксперимента была математическая обработка результатов. Статистическая достоверность открытия на основном детекторе LIGO оценивается как 5,1 σ.

Детектор в Ливингстоне зафиксировал гравитационные волны на 7 мс раньше, чем детектор в Хэнфорде. На основании этого был сделан вывод, что их источник был расположен в Южной полусфере неба. Астрофизики пришли к заключению, что им стали две чёрные дыры в момент слияния. Такой сценарий эволюции двойной системы был предсказан теоретически, но никогда не наблюдался. Факт слияния подтверждает повышение частоты гравитационных волн за время их регистрации.

На основе полученных данных эксперты LIGO дали оценку параметров черных дыр, породивших гравитационные волны. Их масса составила 29 и 36 солнечных, а удаление от Земли в момент слияния – 1,3 миллиарда световых лет. При этом событии около трёх солнечных масс было преобразовано в гравитационные волны за считанные секунды. Их мощность на пике эмиссии превысила совокупный фон гравитационных волн в видимой части Вселенной в 50 раз.

«Наше наблюдение за гравитационными волнами выполняет амбициозную цель непосредственно обнаружить это неуловимое явление. Оно помогает нам лучше понять Вселенную и интеллектуальное наследие Эйнштейна на сотой годовщине Общей теории относительности», – говорит исполнительный директор Лаборатории LIGO Дэвид Х. Рейц (David H. Reitze).

Обсерватория LIGO (фото: caltech.edu).
Обсерватория LIGO (фото: caltech.edu).

Успех команды проекта LIGO подтверждает не только существование гравитационных волн и нашу возможность регистрировать их, но и позволяет создать новые инструменты для изучения невидимых в оптическом диапазоне массивных космических объектов. Строительство детекторов гравитационных волн может оказать такое же влияние на астрономию, как в своё время оказало появление радиотелескопов.

«Мы надеемся, что первая регистрация гравитационных волн ускорит конструкцию глобальной сети детекторов, которая позволит определять точное местоположение их источников и откроет новую эру астрономии», – говорит Дэвид Макклеллэнд (David McClelland), директор Центра Гравитационной Физики в австралийском Национальном университете.