Волны волнуются раз…
Алоха, «Вояджер-1» снова с вами! Ну что может быть лучше, чем попивать космополитен под звучание квантовых струн на окраинах Млечного пути? Все верно, в кое-то веки я решил улететь в отпуск, а то все эти наблюдения, да почвенные анализы экзопланет уже в шестеренках сидят. Кстати, другие отдыхающие посоветовали мне с утра сходить расслабиться на гравитационных волнах — интересно, что это за явление такое?
Девятый вал в космосе
Согласно общей теории относительности, когда две черных дыры вращаются вокруг друг друга, они начинают терять энергию. В результате массивные объекты сближаются в течение миллиардов лет, резко ускоряясь лишь в финальные минуты. За последнюю долю секунды они сталкиваются со скоростью, близкой к половине световой и сливаются в единую червоточину, преобразуя часть объединенной массы в энергию. Эта энергия как раз и испускается в виде последнего сильного взрыва — гравитационных волн, которые относительно недавно удалось задокументировать астрономам.
Впервые о гравитационных волнах заговорил Альберт Эйнштейн во время работы над общей теорией относительности. Тогда же ученый предположил, что обнаружить такие волны будет практически безуспешной задачей. Окончательно доказать их существование астрономы смогли почти спустя полвека, в 1980-х годах, изучая изменение орбит двух объектов в созвездии Орла. В течение четырех лет ученые проводили измерения, результаты которых совпали с расчетами Эйнштейна о том, как гравитационные волны могли бы повлиять на взаимодействие между космическими телами.
Следующей целью стало задокументировать и описать гравитационные волны. Хоть они постоянно раскачивают пространство-время, уловить колебания способны лишь сверхчувствительные установки и только во время крупных происшествий, таких как столкновения черных дыр или других массивных объектов во Вселенной.
Лаборатория LIGO
Крупнейший проект по обнаружению волн стартовал в конце прошлого века при поддержке Национального научного фонда США. Бюджет на строительство лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) пытались выбить еще в 1980-х годах, но из-за организационных проблем обсерватория открыла двери для ученых лишь в 2002 году. Следующая декада также прошла без крупных открытий — для фиксирования волн требовалось увеличить чувствительность детекторов.
В итоге каждая установка LIGO сегодня состоит из двух труб длиной по четыре километра, расположенных перпендикулярно друг другу. На концах каждой трубы подвешены грузы-зеркала, через которые проходят и отражаются лазерные лучи, выпущенные из фиксированного источника. Когда Солнечную систему накрывает мощная гравитационная волна, то под ее воздействием расстояние между грузами смещается на мизерную величину — до одной десятитысячной диаметра протона. Тогда световой детектор сравнивает путь, который прошел луч в обеих трубах, и фиксирует гравитационную волну.
Важность открытия
Прорыв случился осенью 2015 года. В середине сентября сотрудники LIGO впервые задокументировали прохождение гравитационной волны и даже смогли определить источник. Основываясь на наблюдаемых сигналах, ученые подсчитали, что столкновение черных дыр, от которого прошла волна, состоялось примерно 1,3 миллиарда лет назад. Масса трех Солнц была преобразована в гравитационные волны за долю секунды — с пиковой мощностью, примерно в пятьдесят раз превышающей массу всей видимой Вселенной.
В 2017 году сотрудники обсерватории — Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн — были удостоены Нобелевской премии по физике «за решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн». С тех пор астрономы задокументировали еще с десяток волн, а также масштабировали проект: в том же 2017 году к наблюдениям американских ученых присоединились их европейские коллеги из обсерватории Virgo.
Несмотря на кажущийся успех, текущие детекторы еще не могут улавливать волны высоких частот, хотя как раз они могли бы пролить свет на то, что произошло сразу после Большого взрыва. И пока такие наработки остаются в теоретической плоскости, возможно в ближайшие несколько десятков лет человечество все-таки узнает ответ на вопрос о происхождении Вселенной.
Фото на обложке: unsplash.com
