Космічний щебет гравітаційних хвиль. За що дали Нобелівську премію з фізики в 2017 році

Як троє вчених йшли до великого відкриття, передбаченого ще Альбертом Ейнштейном сто років тому

Космічний щебет гравітаційних хвиль. За що дали Нобелівську премію з фізики в 2017 році
Райнер Вайс, Баррі Баріш і Кіп Торн 112.ua

Як троє вчених йшли до великого відкриття, передбаченого ще Альбертом Ейнштейном сто років тому

Нобелівський комітет сьогодні оголосив, що премія в галузі фізики за цей рік присуджена американським вченим Райнеру Вайсу (1/2), Баррі Барішу та Кіпу Торну по (1/4) за винахід детектора гравітаційних хвиль і подальше їх дослідження. Розповідаємо історію цього захопливого відкриття.

14 вересня 2015 року LIGO-детектор в США вперше зафіксував збурення простору – гравітаційні хвилі. Хоча сигнал був надзвичайно слабким, коли він досяг Землі, стало зрозуміло, що він потягне за собою революцію в астрофізиці. Гравітаційні хвилі – це абсолютно новий спосіб дослідження найбільш бурхливих космічних подій і розширення меж людського знання.

Гравітаційні хвилі, які спостерігали лауреати Нобелівської премії з фізики за 2017 рік, виникли в результаті потужного зіткнення двох чорних дір, яке відбулося понад мільярд років тому. На початку ХХ століття їх виявлення в своїй загальній теорії відносності передбачив геніальний Альберт Ейнштейн. Але сам учений сумнівався, чи вийде коли-небудь їх зафіксувати.

Пройшли десятиліття, і була сконструйована LIGO– лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія, основним завданням якої було перевірити правоту Ейнштейна. До цього проекту приєдналася понад тисяча дослідників з більш ніж двадцяти країн. У центрі зібраної команди опинилися сьогоднішні нобелівські лауреати – Райнер Вайс, Баррі Баріш та Кіп Торн, які взялися за роботу з небувалим ентузіазмом і рішучістю. Їм знадобилося більше ніж 40 років для того, щоб виявити гравітаційні хвилі. Приблизно за п'ять місяців до того, як вчені завершили свої розрахунки, почали з'являтися чутки про їхній успіх. Але самі дослідники не наважувалися заявити про нього аж до 11 лютого 2016 року.

Дослідники проекту LIGO встановили своїм відкриттям відразу кілька рекордів. Крім того, що вони першими спостерігали гравітаційні хвилі, весь розвиток подій був першою ознакою того, що в космосі дійсно існують середнього розміру чорні діри, маса яких становить від 30 до 60 сонячних, і вони можуть зливатися одна з одною. Гравітаційне випромінювання, яке виникає при цьому, у багато разів сильніше, ніж зібране разом світло всіх зірок видимого Всесвіту.

Новини за темою

Коливання простору-часу

Було дуже темно. Темрява була майже абсолютною. Але не зовсім. Коливання від чорних дір, що зіштовхнулися, струсонуло весь просторово-часовий континуум. Як хвильки від камінчика, кинутого у воду, гравітаційні хвилі від цього зіткнення почали поширюватися крізь космос. Їм потрібен був час, щоб дістатися до нас. Попри те, що вони рухалися зі швидкістю світла, (а це, ймовірно, максимально можлива у Всесвіті швидкість) знадобився понад мільярд років, щоб ці хвилі досягли Землі. 14 вересня 2015 року об 11:51 за центральноєвропейським часом (10:51 за київським) слабке коливання, зафіксоване датчиками в американській лабораторії LIGO, стало відлунням катастрофи, що трапилася дуже давно і неймовірно далеко – на відстані 1,3 млрд світлових років від Землі.

LIGO – це не звичайний телескоп, який фіксує світло та інші електромагнітні випромінювання з космосу. Це інструмент, за допомогою якого вчені слухали космос, намагаючись вловити в ньому відгомін гравітаційних хвиль. Навіть якщо ці хвилі є коливаннями самого простору-часу, а не звуковими хвилями, їхня частота вловима людським вухом.

Десятиліттями вчені намагалися виявити ці гравітаційні хвилі, які струсонули Всесвіт, в тому вигляді, в якому їх описав Альберт Ейнштейн сто років тому. Він пояснив, що простір і час гнучкі, а також що чотиривимірний простір-час піддається коливанням у вигляді гравітаційних хвиль. Хвилі ці завжди виникають, коли маса отримує прискорення. Зрозумілий приклад – ковзаняр, що розганяється на доріжці, реальний – зірка, що вибухає в далекій галактиці, або пара чорних дір, які обертаються одна навколо одної.

Як і гравітаційні хвилі, чорні діри теж були описані Ейнштейном у загальній теорії відносності 1915 року. Понад 50 років більшість дослідників, як і раніше, вважали, що чорні діри існують тільки у вигляді розв'язку рівнянь Ейнштейна і насправді не присутні в космосі. Теорія відносності пояснює гравітацію як кривизну простору-часу. Там, де гравітація надзвичайно сильна, кривизна може стати настільки великою, що утворюється чорна діра. Чорні діри – найхимерніші об'єкти в просторі-часі. Ніщо не може вибратися з них, навіть світло. Тому вони є постійним джерелом питань і загадок для фізиків.

Гравітаційні хвилі дають надію вченим спостерігати те, що раніше було просто неймовірним, але дуже довго не вдавалося зрозуміти, чи будуть розкриті таємниці простору-часу. Протягом багатьох років Альберт Ейнштейн був переконаний, що неможливо виміряти гравітаційні хвилі, і не був упевнений, чи реальні вони взагалі, чи є просто математичною ілюзією. Його сучасник і колега Артур Еддінгтон був налаштований ще більш скептично і вказував, що гравітаційні хвилі "поширюються зі швидкістю думки".

Існування гравітаційних хвиль наблизилося до визнання науковим співтовариством в кінці 1950-х років, коли нові розрахунки показали, що вони фактично несуть енергію і тому повинні в принципі бути вимірюваними. Один з непрямих доказів з'явився в 1970-х роках, коли американські астрономи Джозеф Тейлор і Рассел Халс використовували великий радіотелескоп для спостереження пари надзвичайно щільних зірок – подвійного пульсара. Вони змогли показати, що зірки обертаються навколо одна одної з наростаючою швидкістю, втрачаючи енергію і зближуючись. Кількість втраченої енергії відповідала теоретичним розрахункам для гравітаційних хвиль. Джозеф Тейлор і Рассел Халс були удостоєні Нобелівської премії з фізики в 1993 році.

Однак отримання прямих доказів існування гравітаційних хвиль вимагало прямих спостережень за хвилями. Але простір-час досить жорсткий і його непросто сколихнути, тому тільки найпотужніші космічні процеси можуть викликати гравітаційні хвилі, досить сильні для того, щоб їх можна було виміряти. І все одно їхня амплітуда крихітна. Виявлення цих хвиль схоже на вимірювання відстані до зірки, розташованої за десяток світлових років, з точністю, еквівалентною діаметру волосини. Крім того, навіть якщо весь Всесвіт постійно вібрує гравітаційними хвилями, найбільш вибухові події рідко відбуваються в нашій галактиці. Необхідно було зазирнути далі.

Гравітаційні хвилі відкривають минуле

І ось це сталося – пастка LIGO вловила гравітаційні хвилі. Їх спровокували дві чорні діри, які нарешті зіткнулися. З моменту свого виникнення на початку існування Всесвіту вони все рухалися кругами одна навколо одної. З кожним циклом ця пара закручувала простір-час в спіраль – збурення простору-часу, яке поширювалося все далі і далі в космос у вигляді гравітаційних хвиль.

Хвилі несли енергію, змушуючи чорні діри зближуватися. При цьому, чим сильніше це обертання зближувало їх, тим швидше вони оберталися і більше енергії втрачалося в цьому танці, який все прискорювався і тривав багато мільйонів років. В самому кінці за частку секунди горизонти чорних дір стикнулися і діри хитнулися назустріч своєму фатальному фіналу зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла. Коли вони злилися, всі вібрації затухли, залишивши одну чорну діру без видимих ​​слідів її драматичного виникнення.

Але пам'ять про це злиття не була втрачена – її історія збереглася у вигляді збурення простору-часу, гравітаційних хвиль, які ритмічно розтягують і стискають простір, змінюючи свій тон. Якби ми могли чути всі ці хвилі, а не тільки найсильніші, весь Всесвіт був би повний музики, схожої на щебет птахів в лісі, – то голосніший, то тихіший. Так після мільярдів років, коли чорні діри прискорювалися на шляху до свого зіткнення, їхня мелодія вийшла на крещендо, яке затихло до повної тиші.

Тепер крізь простір можна почути тільки далекі відгомони цієї грандіозної події. Чому вони такі тихі? Це пов'язано з тим, що їхнє джерело було сильно віддаленим від нас, а гравітаційні хвилі, як і світлові хвилі, і кола на поверхні води, слабшали з відстанню. Тому, коли ці коливання дісталися до Землі, їхня сила значно зменшилася – розтягнення полотна простору-часу, яке повинен був зафіксувати детектор LIGO, коли хвиля пройшла Землю, було в тисячі разів меншим атомного ядра.

Новини за темою

LIGO – гігантський інтерферометр

До мрії довести експериментально існування гравітаційних хвиль безліч вчених йшли довгим, звивистим і важким шляхом понад 50 років. Один з перших детекторів для захоплення гравітаційних хвиль нагадував камертон, чутливий до хвиль певної частоти. Але Джозеф Вебер з Мерілендського університету (Вашингтон) міг тільки здогадуватися про частоту, на якій чорні діри будуть співати свою лебедину пісню. Він побудував найперший детектор в 1960-х роках, в той час, коли багато людей сумнівалися, що гравітаційні хвилі і чорні діри взагалі існують. Так що, коли в 1970-х рр. Вебер заявив, що чув останні відзвуки космічного катаклізму, це стало сенсацією. Однак ніхто не зміг повторити результати дослідника, і його спостереження визнали хибною тривогою.

В середині 1970-х років, незважаючи на загальний скептицизм, Кіп Торн і Райнер Вайс були твердо впевнені, що гравітаційні хвилі можуть бути виявлені, що, в свою чергу, зчинить переворот уявлень про Всесвіт. Вайс до того моменту вже проаналізував можливі джерела фонового шуму, які могли б порушити їхні вимірювання, спрямовані на пошук гравітаційних хвиль. Він також розробив детектор, лазерний інтерферометр, який усунув би цей шум.

У той час як Вайс розробляв свої детектори в Массачусетському технологічному інституті в Кембриджі, Кіп Торн почав працювати з Рональдом Древером, який побудував свої перші прототипи необхідного обладнання в Глазго, Шотландія. Древер приєднався до Торна в Каліфорнійському технологічному інституті в Лос-Анджелесі. Вайс, Торн і Древер сформували тріо, яке на багато років захопило лідерство в цій галузі. Згодом Древер відійшов від справ, але він все ж встиг випробувати своє перше відкриття перед смертю – вченого не стало у березні цього року.

Замість вилочної конструкції детектора, яку запропонував Вебер, трійця в складі Вайса, Торна і Древера розробила лазерний інтерферометр. Принцип його роботи давно відомий: інтерферометр складається з двох плечей, що утворюють L-подібну конструкцію. На її кутку і кінцях особливим чином закріплені дзеркала. Гравітаційна хвиля, що проходить, впливає на плечі інтерферометра по-різному – коли одне плече стиснене, інше розтягнуте.

Лазерний промінь, який скаче між дзеркалами, вимірює зміну довжини кожного плеча. Якщо нічого не відбувається, промені світла від лазера нівелюють один одного, зустрічаючись в кутку L-подібної конструкції. Однак якщо одне з плечей інтерферометра змінює довжину, світло переміщається на різні відстані, тому світлові хвилі втрачають синхронізацію, а інтенсивність світла змінюється, коли промені зустрічаються

Ідея була досить простою, але диявол переховувався в деталях. На те, щоб зрозуміти, яких саме, знадобилося понад 40 років. Для фіксації змін розміром менше ядра атома необхідні були інструменти величезних розмірів. План полягав у тому, щоб побудувати два інтерферометри, кожен з плечима по чотири кілометри завдовжки, уздовж яких лазерний промінь відскакував би багато разів, тим самим розширюючи шлях для світла і збільшуючи ймовірність виявлення будь-яких крихітних викривлень в просторі-часі. Безпосередньо LIGO була побудована в степах північного заходу США, недалеко від Хенфорда, штат Вашингтон. А в трьох тисячах кілометрах на південь, в болотах Лівінгстона, штат Луїзіана, був розташований дублюючий прилад.

Принцип роботи обсерваторії LIGO Нобелевский комитет

Знадобились роки розробки максимально чутливого інструменту, який дозволяє відокремлювати гравітаційні хвилі від усіх фонових шумів. Крім того, потрібні були складний аналіз і передові теоретичні дані – тут експертом був Кіп Торн. А новаторський внесок Райнера Вайса в загальну задачу полягав у розробці креативних і тонких інженерних рішень. Довжина хвилі та інтенсивність лазерного випромінювання повинні були бути якомога стабільнішими, і промінь повинен був точно вдарити по дзеркалах інтерферометра. Навряд чи б вони почали коливатися від листка, що впав на них, або через дитину, що пробігла поблизу, або навіть через вантажівку, яка проїхала б по віддаленій дорозі. Разом з тим, дзеркала повинні були вільно розгойдуватися від проходження гравітаційної хвилі. Тепловий рух атомів на поверхні дзеркал повинен був бути компенсований, також як і квантові ефекти в лазері. Необхідно було розробити нову лазерну технологію, винайти інноваційні матеріали, а також побудувати гігантські вакуумні трубки, сейсмічну ізоляцію та інші життєво важливі технології, які набагато перевершували ті, що існували на той момент.

Виконання такого проекту в невеликих масштабах стало неможливим, і потрібен був новий підхід. У 1994 році, коли Баррі Баріш став лідером LIGO, він перетворив невелику дослідницьку групу з приблизно 40 осіб на великомасштабне міжнародне співробітництво з більш ніж тисячею учасників. Він шукав необхідний досвід і залучав численні дослідницькі групи з багатьох країн. Неймовірна мрія могла збутися тільки завдяки спільним зусиллям великої науки.

Сигнал прибуває негайно

У вересні 2015 року LIGO збиралася почати роботу після поновлення, яке тривало кілька років. Тепер, оснащена в десять разів більш потужними лазерами, дзеркалами вагою 40 кілограмів, високотехнологічною фільтрацією шуму і однією з найбільших у світі вакуумних систем, обсерваторія захопила хвильовий сигнал за кілька днів до запланованого початку експерименту. Спочатку хвиля пройшла повз об'єкт в Лівінгстоні, а потім, 7 мілісекунд потому (оскільки вона рухалася зі швидкістю світла) хвиля з'явилася в Хенфорді – в трьох тисячах кілометрів від першої точки.

Повідомлення від комп'ютеризованої системи було відправлене рано-вранці 14 вересня 2015 року. Всі в США ще спали, але в німецькому Ганновері було вже 11:51 ранку. Марко Драго, молодий співробітник Інституту астрофізики ім. Макса Планка, якраз готувався до обіду. Криві, які він помітив, виглядали точно так само, як ті, які він навчався розпізнавати вже багато разів. Чи міг він бути першою людиною в світі, яка зафіксувала гравітаційні хвилі? Чи це була просто хибна тривога, один з випадкових сліпих тестів, про які знали лише кілька людей?

Так, форма хвилі була точно такою ж, як і було передбачено, і ні, це було не випробування. Все підходило ідеально. Піонери даної наукової галузі, яким було вже за 80, і їхні колеги з LIGO нарешті змогли почути музику, про яку мріяли. Це було майже занадто добре, щоб бути правдою. Так що тільки в лютому наступного року їм дозволили розповісти приголомшливу новину. Навіть сім'ї дослідників не були в курсі до цього моменту.

Ретельно прихована таємниця під назвою GW 150914 виправдала всі очікування вчених. З сигналу ставало зрозуміло, що чорні діри, які зіткнулися так давно і так далеко, були в 29 і 36 разів важчими за Сонце, але не більше 200 кілометрів в діаметрі. Вони злилися, утворивши чорну діру масою рівною приблизно 62-м сонячним масам, так що протягом декількох десятих секунди могли випромінювати енергію у вигляді гравітаційних хвиль, еквівалентних трьом сонячним масам. Це зробило GW 150914 найпотужнішим джерелом випромінювання у Всесвіті на той короткий момент. Оброблений сигнал також вказав на область у південному небі, де на відстані в 1,3 мільярди світлових років відбулася описана подія. Це означає, що зіткнення сталося 1,3 мільярда років тому. У цей час життя на Землі тільки робило крок від одноклітинних до багатоклітинних організмів.

Обсерваторія LIGO спостерігала ще дві подібні події з моменту свого першого сенсаційного відкриття. Європейський детектор VIRGO, що знаходиться недалеко від міста Піза в Італії, приєднався до LIGO в серпні 2017 року, і вони оголосили про перше спільне відкриття 27 вересня. Воно полягало в тому, що 14 серпня 2017 року всі три детектора спостерігали одні і ті ж космічні гравітаційні хвилі, які прибули з двох чорних дір середнього розміру. Ці діри зіткнулися 1,8 мільярда років тому.

Детектори вже чотири рази спостерігали, як тремтить Всесвіт і ще багато відкриттів очікуються в майбутньому. Індія та Японія також будують нові обсерваторії гравітаційних хвиль. З кількома експериментами, проведеними на великій відстані один від одного, дослідники планують отримати можливість точно визначити, звідки надходять сигнали. Пізніше плануються спостереження гравітаційних хвиль з використанням оптичних телескопів, рентгенівських телескопів або інших типів телескопів.

На сьогодні всі виявлені вченими види електромагнітного випромінювання і часток, такі, як космічні промені або нейтрино, дали нам нові знання про Всесвіт. Однак, гравітаційні хвилі є прямим свідченням збурень в самому просторі-часі. Це щось зовсім нове, незвідане, що відкриває невидимі світи. Безліч відкриттів чекає на тих, хто досягне успіху в захопленні гравітаційних хвиль і інтерпретації їхніх сигналів.

Переклад матеріалів Шведської королівської академії наук.

відео по темі

Новини за темою

Новини за темою

Новини партнерів

Загрузка...

Віджет партнерів

d="M296.296,512H200.36V256h-64v-88.225l64-0.029l-0.104-51.976C200.256,43.794,219.773,0,304.556,0h70.588v88.242h-44.115 c-33.016,0-34.604,12.328-34.604,35.342l-0.131,44.162h79.346l-9.354,88.225L296.36,256L296.296,512z"/>