Гравитационные волны: самое ожидаемое открытие XXI века

Гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном — «рябь» ткани пространства-времени, возникающая при самых бурных событиях в нашей Вселенной: взрывах звезд, столкновениях черных дыр и при самом Большом Взрыве.

Модель столкновения черных дыр, созданная суперкомпьютером. Центр релятивистских и гравитационных вычислений Технологического института Рочестера (Center for Computational Relativity and Gravitation, Rochester Institute of Technology) получил грант в размере 330 тыс. долларов от Национального научного фонда на проведение детальных компьютерных симуляций столкновений черных дыр. Моделирование осуществляется на 85 двухъядерных процессорах, объединенных в один суперкомпьютер с 1,4 терабайтами оперативной памяти и 36-терабайтным жестким диском.

Используя глобальную сеть интерферометров, среди которых имеются наиболее чувствительные приборы, когда-либо построенные человеком, астрономы вплотную приблизились к открытию гравитационных волн.

Уникальные технологии, лежащие в основе этих исследований, позволяют изучать фундаментальные вопросы астрофизики, космологии, галактической астрономии, а возможно — даже структуры пространства-времени. Ответы на эти вопросы могут быть найдены после открытия нового «окна» во Вселенную, которое нам предоставит техника регистрации гравиволн.

Что такое гравитационные волны?

Ньютон, рассуждая о силе тяжести, действующей на тело, не интересовался природой этой силы. Но каков механизм воздействия одного тело на другое на большом расстоянии в космосе? Что искривляет путь Луны, заставляя двигаться ее по орбите вокруг Земли?

Гравитация в эйнштейновской Вселенной стала свойством пространства-времени, искривление которого массивным объектом приводило к искривлению пути любого другого тела в условном гравитационном поле. Пространство-время «говорит» материи, как ей двигаться, а материя «говорит» пространству-времени, как ему искривляться. При этом гравитационные волны — это «рябь» на самой ткани этого пространства-времени, возникающая при изменении гравитационных полей. Их появление вызывают самые масштабные события во Вселенной: взрывы сверхмассивных звезд, столкновения черных дыр, но в первую очередь — сам Большой Взрыв.

Еще в 1975 г. внимание ученых Рассела Халса и Джо Тейлора (Russel Hulse, Joe Taylor) привлекла тесная пара нейтронных звезд — пульсаров, которые они изучали при помощи 300-метрового радиотелескопа в Аресибо. Выяснилось, что радиусы орбит, по которым эти объекты обращаются вокруг общего центра масс, постепенно уменьшаются. Это уменьшение орбит происходит вследствие выделения энергии в виде гравитационных волн, а величина смещения периастров (ближайших к центру масс точек орбит) находится в полном соответствии с предсказаниями ОТО. Но для того, чтобы надежно зарегистрировать гравитационные волны, необходимо было гораздо более тесное сближение нейтронных звезд.

Поэтому сейчас астрономы ведут поиски максимально тесных пар сверхплотных объектов, чтобы, используя новые технологии, попытаться все-таки обнаружить гравитационные волны. «Выплескивая» их в пространство и двигаясь по сокращающимся орбитам, эти объекты, в конце концов, сольются в один. Гравиволны по многим своим параметрам похожи на волны на поверхности пруда: чем дальше от источника — тем они слабее. Когда они достигнут Земли, они станут невероятно слабыми. Чтобы их обнаружить, нужно обладать чувствительностью, позволяющей заметить сдвиг на величину порядка тысячной доли размера протона.

Сложности измерений

LIGO — Лазерный интерферометр обсерватории гравитационных волн — работает с интерферометрами километровых масштабов на двух площадках в Ливингстоне (Луизиана) и Хэнфорде (Вашингтон). В принципе, он очень похож на прибор Майкельсона, но значительно превосходит его по размерам. В его центре находится разделитель лучей, который выводит лазерный луч на два зеркала расположенные под прямым углом. Зеркала отражают лучи обратно, к наблюдателю, и он видит интерференционную картину, возникающую при наложении электромагнитных волн. Гравитационные волны приводят к крошечным сдвигам зеркал (на 4 км базы интерферометра они должны составлять порядка 10-18 м) и смещению всей интерференционной картины, которое можно обнаружить и измерить.

Но у чувствительности LIGO есть несколько естественных ограничений, задаваемых сейсмическим, гравитационным, термическим и фотонным шумом, а также давлением излучения. Чтобы уменьшить их влияние, необходимо строить детекторы с еще большей базой. В разных странах уже существует несколько работающих интерферометров с базами от сотен метров до 3-4 км. Научное сотрудничество LIGO охватывает около 900 ученых во всем мире.

Внимание астрофизиков, занимающихся поиском гравитационных волн, в первую очередь привлекают такие объекты:

• Сливающиеся нейтронные звезды, черные дыры;
• Взрывы сверхновых, космические струны;
• Гравитационные волны космического фона;
• Постоянные источники гравиволн — двойные нейтронные звезды.

Астрономия гравитационных волн преследует такие научные цели:

• Выяснить, насколько распространены во Вселенной черные дыры звездной массы;
• Узнать, что питает энергией гамма-всплески;
• Доказать существование черных дыр промежуточной массы;
• Изучить процессы, сопровождающие коллапс массивных звезд;
• Уловить гравиволны, испускаемые вращающимися нейтронными звездами;
• Уточнить распределение нейтронных звезд и белых карликов в Галактике;
• Определить, насколько массивной может быть нейтронная звезда;
• Выяснить причины вспышек пульсаров, всплесков рентгеновского и гамма-излучения в магнитарах;
• Описать историю звездообразования во Вселенной.

Что мы увидим?

В конце концов, астрономия гравитационных волн должна стать таким же разделом наблюдательной астрономии, как и другие ее направления, в рамках которых производятся наблюдения в различных диапазонах электромагнитного спектра — например, в инфракрасном, рентгеновском и гамма-диапазоне. Это будет, без преувеличения, новое окно во Вселенную.

Гравитационные исследования помогут решить также следующие важнейшие фундаментальные вопросы:

• Каковы свойства гравитационных волн?
• Является ли ОТО правильной теорией гравитации?
• Работает ли ОТО в условиях экстремально большой гравитации?
• Являются ли черные дыры теми объектами, которые описывает ОТО?
• Как ведет себя материя при экстремальных плотностях и давлениях?
• Почему расширение Вселенной ускоряется?
• Через какие фазовые превращения прошла ранняя Вселенная?

В 2006-2011 гг. астрономы активно занимались изучением двух нейтронных звезд, одна из которых находится в знаменитой Крабовидной туманности, а другая — пульсар в созвездии Парусов. И хотя обнаружить генерируемые ими гравиволны так и не удалось, наблюдения принесли интересный результат: они показали, что поверхность этих объектов не может иметь неровностей. Участников команды как-то спросили, что, на их взгляд, самое поразительное в этих небесных телах, и ответ был таким: «То, что нейтронная звезда является самой круглой вещью в этой Вселенной. При диаметре в 15 миль самая высокая гора на ней не может быть выше 5 мм». И это действительно так — в противном случае гравитационные волны от таких нейтронных звезд непременно были бы обнаружены.

Каждый раз, когда появлялось новое «окно» для наблюдения Вселенной, это вызывало настоящие всплески совершенно неожиданных открытий. Нет сомнений, что к таким же последствиям для астрономии приведет и открытие гравитационных волн.

Совершенствование интерферометра и сети LIGO продолжается!