«Открытие, которое потрясло Вселенную» – прямое наблюдение гравитационных волн от слияния двух чёрных дыр получило награду от Нобелевского комитета.

Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн более 100 лет назад как логическое следствие Общей Теории Относительности. Учитывая, что эффект, вызванный прохождением гравитационной волны через пространство, невероятно мал, сам Эйнштейн сомневался, что его можно зарегистрировать. Тем не менее, около двух лет назад обсерватории-близнецы LIGO в Ливингстоне и Хэнфорде в США поймали сигнал, который оказался гравитационным следом слияния двух чёрных дыр. За эксперимент, который позволил наблюдать это событие, и была присуждена Нобелевская премия 2017 года.

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2017 года, (слева направо): Кип Торн, Райнер Вайсс, Барри Бэриш. (Фото: LIGO Lab / Caltech.)

Фотография обсерваторий-близнецов LIGO.

Схема интерферометра Майкельсона.

Сигналы, полученные каждой из обсерваторий 14 сентября 2015 года, и их наложение.

Модель «смертельного танца» чёрных дыр, слияние которых стало точкой отсчёта экспериментальной физики гравитационных волн.

Лауреатами стали Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн. Райнер Вайсс, физик-экспериментатор из Массачусетского технологического института (MIT), был одной из ключевых фигур в обсерватории LIGO: он разработал концепцию детектора в целом, предположил, какими должны быть технические требования, чтобы сигнал можно было зарегистрировать, и организовал финансирование и строительство детектора. Свою часть премии Вайсс собирается отдать MIT на поддержку студентов.

Кип Торн, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института (CalTech), предсказал, какая форма будет у сигнала от гравитационной волны и как выделить его на фоне всевозможных шумов. Барри Бэриш, который занимался физикой частиц в CalTech, возглавил проект в тяжёлые для него времена; под его руководством оба детектора удалось отладить до необходимой чувствительности, чтобы они могли распознать сигнал. Бэриш отметил, что присуждение Нобелевской премии трём людям за открытие, которое стало результатом тяжёлой работы большой команды, вызывает у него двойственные чувства.

Четвёртым человеком, которому LIGO обязан многими технологическими решениями и который мог бы тоже стать нынешним лауреатом, был Рональд Древер. К сожалению, он скончался в марте этого года.

Что же такое гравитационные волны, и почему их так сложно наблюдать? Гравитационные волны – это рябь пространства-времени, вызванная движением массивных тел с ускорением (то есть с изменением скорости во времени). Иными словами, пространство локально сжимается и расширяется в направлениях, перпендикулярных распространению гравитационной волны. Волны расходятся по Вселенной со скоростью света, и регистрация их требует невероятной чувствительности: наша планета, диаметр которой составляет около 13 000 км, при прохождении гравитационной волны сожмётся и расширится на величину, сравнимую с размером атомного ядра.

В прошлом предлагалось немало вариантов устройств, которые могли бы зафиксировать такое событие. (О некоторых из таких устройств можно прочитать в нашем материале.) Самым успешный вариант реализован в огромной обсерватории LIGO. Точнее было бы назвать ее обсерваториями-близнецами: LIGO представляет собой два огромных интерферометра, расположенных на противоположных концах США на расстоянии 3 000 км. Две обсерватории необходимы для того, чтобы исключить локальные источники шума. Во время прохождения гравитационной волны через нашу планету оба детектора должны зарегистрировать одинаковый сигнал с разницей во времени приблизительно в одну сотую долю секунды. Именно такой сигнал и был получен 13 сентября 2015 года.

Детектор устроен на удивление просто: это интерферометр Майкельсона; с помощью такого устройства в 1887 году Майкельсон и Морли впервые измерили длину волны света. Лазерный луч с помощью светоделительного полупрозрачного зеркала делится на два идентичных пучка, перпендикулярных друг другу. Каждый из пучков отражается от зеркала в конце плеча интерферометра и возвращается на светоделитель. Оттуда суперпозиция обоих пучков передаётся на экран или светочувствительный элемент. Если изменить длину одного из плеч, то интерференционная картинка изменится. Идея LIGO заключается в том, что при прохождении гравитационной волны, длина каждого плеча изменится соответствующим образом, и это должно повлиять на интерференционную картину. Райнер Вайсс был не первым, кто придумал использовать интерферометр Майкельсона для регистрации гравитационных волн, но он был первым, кто правильно оценил масштабы задачи: длина каждого плеча LIGO составляет 4 километра!

Сегодня LIGO настолько чувствителен, что различает изменение длины плеча в 1/10 000 размера протона. Он «слышит» как бьются волны океана о берег на расстоянии многих километров, не говоря о проезжающих мимо грузовиках. Надёжная фильтрация шума и обработка данных, которая позволит распознать сигнал, соответствующий гравитационной волне, – задача, решение которой поистине достойно Нобелевской премии. Стоит отметить, что на решение этой задачи ушло более 40 лет, не говоря уже об усилиях более чем тысячи физиков и инженеров. Фундаментальная физика уже давно рождается в слаженной работе большой команды, будь то LIGO, ЦЕРН или какой-нибудь центр, управляющий исследовательской межпланетной миссией.

Событие, на которое указывают первые зарегистрированные колебания пространства-времени, произошло  около 1,3 миллиардов лет назад, когда на нашей планете только зародилась многоклеточная жизнь. Две чёрные дыры, ускоряясь, кружились вокруг друг друга в смертельном танце, пока не достигли половины скорости света и не слились в новую сверхтяжёлую чёрную дыру. Такое эпическое по своей разрушительной силе событие и создало гравитационные волны, которые дошли до нас около двух лет назад.

На сегодняшний день зарегистрировано уже четыре слияния чёрных дыр, о последнем из которых было объявлено в сентябре. Его «услышал» и аналогичный LIGO детектор VIRGO в Италии, на котором недавно закончились технические обновления. Трио интерферометров в разных точках планеты позволяет более точно определить расположение источника гравитационных волн во Вселенной. (Обзор о зарегистрированных слияниях можно прочитать здесь.) По неофициальным данным, коллаборация LIGO/VIRGO недавно зарегистрировала сигнал от слияния двух нейтронных звёзд, которое было видно и в «обычные» телескопы. И хотя детекторы с беспрецедентной чувствительностью пока не зарегистрировали ничего интересного в плане научной новизны, они открывают новый источник информации о событиях звёздного и галактического масштаба. Кто знает, возможно за этим последует и новая физика.