Нобелевская премия по физике 2017 году будет вручена троим ученым. Половину премии получит Райнер Вайсс (Rainer Weiss), а вторая половина будет разделена между Барри Баришем (Barry C. Barish) и Кипом Торном (Kip S. Thorne). Нобелевский комитет отметил их «решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн».
Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн
Обнаружение гравитационных волн стало одним из самых важных событий в мире науки за 2016 год (само событие произошло 14 сентября 2015 года, но ученые не сообщали о нем до 11 февраля 2016, чтобы проверить все данные и убедиться в своей правоте). Волны были зафиксированы при помощи лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), известной теперь под кратким названием LIGO. Создание LIGO было длительным научным проектом, начатым в 1992 году по предложению нынешних лауреатов и шотландского физика Рональда Древера (1931 – 2017). А работы, в которых описывались принципы конструкции лазерного интерферометра, необходимого для детекции гравитационных волн, были выполнены Вайссом еще в 1970-х годах.
В работе LIGO участвуют тысяч ученых из многих стран мира, в том числе и две российские группы: московская – под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова и группа Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде, которой руководит академик Александр Сергеев. Значительный вклад в проект LIGO внес профессор кафедры физики колебаний физфака МГУ Владимир Брагинский (1931 – 2016). «Его понимание происхождения и контроля диссипации в механических системах было глубоким и имело решающее значение для использования макроскопических систем, таких как LIGO, в области, где проявляется квантовый шум. В течение двух десятилетий он был «совестью» LIGO, идентифицируя и характеризуя ряд неожиданных источников шума, понимание которых было решающим для окончательного открытия LIGO в сентябре прошлого года гравитационных волн, поступающих на Землю из глубины вселенной», – писал о Владимире Брагинском Кип Торн.
Следует отметить, что это второй случай, когда премия по физике присуждается за исследования, связанные с гравитационными волнами. В 1993 году Нобелевскую премию по физики получили астрономы Джозеф Тейлор и Рассел Халс, сумевшие добиться косвенного подтверждения существования гравитационных волн. Теоретически гравитационные волны были известны физикам давно. Работа Эйнштейна, в которой доказывалось, что тело, обладающее массой и движущееся с неравномерным ускорением, будет распространять волны, искажающие геометрию пространства, была опубликована век назад – в 1916 году. Существование таких волн следовало из общей теории относительности, но сам Эйнштейн скептически относился к возможности их обнаружить на практике. Главная проблема в “ловле” гравитационных волн состоит в том, что эти колебания гравитационного поля очень слабы. Даже в случае, когда их источником служат огромные движущиеся массы, такие как звездные системы, черные дыры, нейтронные звезды, амплитуда этих волн составляет всего 10−18 – 10−23.
Тейлор и Халс в 1970-е годы открыли двойной радиопульсар PSR B1913+16, состоящий из двух звезд, масса каждой из которых равна примерно 1,4 массы Солнца. Звезды вращаются вокруг общего центра масс. При этом одна из них оказалась сверхплотной нейтронной звездой, которая делает вокруг своей оси около 17 оборотов в секунду (благодаря этому система и является радиопульсаром). Общая теория относительности предсказывает, что гравитационные волны, излучаемые двумя вращающимися телами, должны уносить энергию, что заставит орбиту постоянно сжиматься. Для характеристики радиопульсара PSR B1913+16 расчеты предсказывали уменьшение орбитального периода на 75,8 микросекунд в год. Тейлор и Халс наблюдали радиопульсар более пятнадцати лет и определили, что уменьшение составляет 76±0,3 микросекунды в год, что очень хорошо согласуется с предсказанием теории. Позднее аналогичные подтверждения были получены для ряда других двойных радиопульсаров. Но это было лишь обнаружение гравитационных волн по косвенным признакам, а не прямая детекция волны.
Первую попытку обнаружить гравитационные волны при помощи детектора совершил в 1960-е – 1970-е годы Джозеф Вебер (Joseph Weber, 1930 – 2000) из Университета Мэриленда. Он создал первый тип гравитационных антенн (Weber bars), и в какой-то момент был уверен, что обнаружил волны. Но попытки воспроизведения этих экспериментов другими физиками не подтвердили выводов Вебера. Драматическая история полемики 1970-х годов вокруг результатов Вебера была описана в нескольких публицистических книгах. Только недавно ученые смогли достичь нужного уровня точности своих устройств, чтобы регистрировать столь небольшие величины, и научились отфильтровывать такой слабый сигнал от посторонних шумов.
Обсерватория LIGO, где удалось это сделать, представляет собой на самом деле две обсерватории, разделенные расстоянием в 3002 километра. Одна из них находится в Хэнфорде на северо-западе США, а другая – в Ливингстоне, на юго-восточном конце страны. Поскольку гравитационные волны распространяются со скоростью света, разница во времени их регистрации двумя обсерваториями, должна составлять несколько миллисекунд и, по замыслу создателей, позволит определить направление на источник, вызвавший гравитационную волну.
Общий вид центра LIGO в Хэнфорде
Главным «действующим лицом» обеих обсерваторий, и в Хэнфоде, и Ливингстоне, служит интерферометр Майкельсона. Альберт Майкельсон создал такое устройство еще в 1880-х годах и планировал измерить с его помощью скорость движения Земли относительно «мирового эфира» (а в результате измерил скорость света). Принцип интерферометра Майкельсона таков: луч света разделяется зеркалом на два луча, оба они отражаются от зеркал и направляются к приемнику, чтобы на нем вновь совпасть. По получившейся интерференционной картинке можно судить о смещении зеркал. Например, взяв лазерный луч, можно настроить интерферометр так, чтобы соединившиеся лучи гасили световые колебания друг друга. Тогда фотодетектор на приемнике не будет регистрировать света. Если же одно из отражающих зеркал хотя бы немного сместится, то лучи сдвинутся, а фотодетектор это сразу заметит.
Принципиальная схема интерферометра Майкельсона
В проекте LIGO лазерные лучи интерферометра находятся в тоннелях L-образной формы, длина которых составляет четыре километра. Чувствительность интерферометра такова, что он способен улавливать разницу между длиной пути двух лазерных лучей размером примерно с атомное ядро. И вот, 14 сентября 2015 года в 9:51 по всемирному времени гравитационную волну отметили интерферометры в Хэнфорде и в Ливингстоне. Разница по времени в двух обсерваториях составила семь миллисекунд.
Расчеты показали, что зафиксированная гравитационная волна была порождена слиянием двух черных дыр, произошедшим 1,3 миллиарда лет назад. Сближаясь друг с другом, черные дыры двигались по спиральным траекториям со все большим ускорением. Когда они совершали последние обороты, прежде чем слиться воедино, их скорости уже приближались к скорости света. Массы черных дыр равнялись 36 и 29 солнечных, а возникшая в результате их объединения черная дыра имела массу в 62 солнечных. Такие образом три массы Солнца ушли в энергию, выделившуюся в виде гравитационных волн.
Возникновение гравитационных волн в процессе слияния двух черных дыр
Второй раз гравитационные волны обоими детекторами LIGO были замечены 26 декабря 2015 года (официальное сообщение об этом было сделано в июне 2016). В отличие от сигнала, зарегистрированного при первом детектировании гравитационных волн, который был ясно виден на фоне шума, второй сигнал был слабее и не просматривался в шуме явно. Однако ученым удалось его «отфильтровать» с помощью специальной методики. Физики 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. В процессе слияния, которое произошло около 1,4 миллиарда лет назад, количество энергии, примерно эквивалентное одной солнечной массе, превратилось в гравитационные волны. Был зарегистрирован сигнал от последних 27 оборотов черных дыр перед их слиянием. Детектор в Ливингстоне записал событие на 1,1 миллисекунды раньше детектора в Хэнфорде, что позволило дать грубую оценку расположения источника гравитационных волн на небесной сфере.
Теперь случаи регистрации гравитационных волн получают специальные обозначения из букв GW и даты события, записанной в формате «год-месяц-день». Соответственно, первые два случая обозначаются GW150914 и GW151226. В 2016 году работа обсерваторий LIGO была прервана на 11 месяцев для модернизации и настройки. В результате детекторы интерферометра стали на 10 % более чувствительными, то есть он смог регистрировать события, происходящие в космосе на расстоянии на 10 % дальше. Уже после модернизации проект LIGO зарегистрировал еще два случая гравитационных волн: GW170104 и GW170814.
Сигнал GW170104
В первом случае слияние черных дыр произошло на расстоянии 880 мегапарсек (2,9 млрд. световых лет от Земли), массы черных дыр до столкновения составляли 31,2 и 19,4 солнечных, масса итоговой черной дыры – 48,7. Во втором эти показатели составили, соответственно, 1,8 млрд. световых лет, 31 и 25 масс Солнца, возникшая черная дыра – 53 массы Солнца. Событие GW170814 примечательно тем, что было обнаружено уже не двумя интерферометрами проекта LIGO, а тремя. К работе присоединился интерферометр Virgo, построенный в Италии, недалеко от города Пиза. Наличие трех интерферометров позволило значительно сузить расчетную область нахождения источника гравитационных волн.
Сигнал GW170814, зафиксированный в трех обсерваториях
В будущем, при благополучном стечении финансовых обстоятельств, в строй вступит еще более внушительный интерферометр для поиска гравитационных волн. Еще в 1990-х годах НАСА и Европейское космическое агентство задумали эксперимент LISA (Laser Interferometer Space Antenna), в ходе которого было запланировано запустить в космос три спутника, которые расположатся в углах правильного треугольника с длиной стороны около миллиона километров. В результате получится гигантский интерферометр Майкельсона, способный регистрировать гравитационные волны. В 2011 году НАСА из-за проблем с финансированием объявило о выходе из проекта. ЕКА подготовила несколько более скромный вариант eLISA. В 2015 году успешно прошел полет тестового спутника LISA Pathfinder. Оптимизм внушает новость, поступившая осенью 2016 года, когда представители НАСА сообщили, что могут вернуться к совместному проекту. Запуск аппаратов LISA в космос ожидается в 2034 году.