69 863 subscribers

Шёпот Вселенной. О величии открытия гравитационных волн и применении полученных знаний.

24 September 2017

Шёпот Вселенной. О величии открытия гравитационных волн и применении полученных знаний.

1,3 млрд. лет назад две чёрные дыры закрутились в спиральном гравитационном танце, неумолимо падая на встречу друг другу, в конечном счёте столкнулись, преобразовав три солнечные массы вещества в чистую энергию за десятую долю секунды. В этот редчайший миг зарево могло быть ярче всех звёзд во всех галактиках всей наблюдаемой Вселенной. Но это чёрные дыры, и их энергия выделяется не в виде света. Вся эта энергия была вброшена в саму ткань пространства-времени, заставляя Вселенную взорваться гравитационными волнами. Потрясающе!

Давайте поразмыслим о временных масштабах. 1,3 млрд. лет назад — на Земле только зародилась многоклеточная жизнь. За прошедшее до сегодняшнего момента время на планете появились и развились кораллы, рыбы, растения, динозавры, птицы, млекопитающие, люди. В 1916 году Альберт Эйнштейн на основании общей теории относительности впервые предсказал существование гравитационных волн. И вот только 25 лет назад группа людей Райнер Вайс из МТИ, Кип Торн и Рональд Дрейвер из Сколтеха решили, что было бы просто превосходно построить гигантский лазерный детектор для поиска этих гравитационных волн. Большинство людей посчитали их сумасшедшими. Но небольшое количество людей из национального научного фонда США осознало, что они гениальные сумасшедшие, и решили финансировать эту безумную идею. После десятилетия разработок, полёта творческого воображения и огромного количества тяжелейшей работы они построили свой детектор, который сейчас всем известен, как LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. У нас принято говорить ЛИГО.

За несколько последних лет в ЛИГО добились грандиозного повышения точности, поэтому сейчас её называют усовершенствованная ЛИГО. В начале сентября 2015 года ЛИГО была включена для последней проверки, чтобы отладить несколько оставшихся проблем. И 14 сентября 2015 года, всего через пару дней после того, как детектор включили, гравитационные волны от тех самых двух столкнувшихся чёрных дыр прошли сквозь Землю. Они прошли сквозь каждого жителя Земли. И конечно, они прошли сквозь детектор.

Скотт Хьюз (Scott Hughes), профессор физики из МТИ, который последние 23 года изучал гравитационные волны, образованные слиянием чёрных дыр и их сигналы, которые могли бы приниматься такими обсерваториями, как ЛИГО, так описал это событие:

В моей жизни было два столь эмоциональных момента. Первый — это рождение моей дочери. Второй — когда мне пришлось прощаться с моим смертельно больным отцом. Знаете, по существу, это стало вознаграждением всей моей карьеры. Всё, над чем я работал, больше не научная фантастика (смеётся)!

Так что же такое гравитационная волна?

Как и объяснял Эйнштейн, эти волны представляют собой рябь пространства, распространяющуюся во времени со скоростью света. При прохождении гравитационной волны между двумя свободно падающими телами расстояние между ними изменяется. Относительное изменение этого расстояния служит мерой амплитуды волны это рябь в конфигурации пространства-времени. То есть когда волна проходит, она растягивает пространство и всё, что в нём находится, в одном (условно горизонтальном) направлении и сжимает в другом (условно вертикальном). То есть каждый человек на планете растягивается и сжимается при прохождении сквозь него гравитационной волны. Проблема с обнаружением гравитационных волн заключается в том, что они невообразимо слабые. Человека волна, зафиксированная 14 сентября 2015 года, растянула примерно на 10 ^-21. Ещё бы работников ЛИГО не считали сумасшедшими. Даже с лазерным детектором длиной 5 км, что уже безумие, им нужно было замерить длину лазера между детекторами с точностью до одной тысячной радиуса атомного ядра! Это же сумасшествие!

Свой классический трактат по гравитации один из соучредителей ЛИГО Кип Торн закончил, описывая охоту за гравитационными волнами, следующими словами:

Технические трудности, которые необходимо преодолеть в создании таких детекторов, огромны. Но физики изобретательны. С поддержкой широких масс все препятствия будут непременно преодолены.

Торн опубликовал этот труд в 1973 году — за 42 года до того, как он добился успеха.

Как работает ЛИГО?

Эта обсерватория действует, скорее, как ухо, чем, как глаз. Видимый свет имеет длину волны гораздо меньше всех окружающих нас предметов и по сути именно этот факт позволяет нам создать картину окружающего нас мира, за счёт отражённого от этих предметов света, попадающего на глаза. А вот звук работает иначе. Длина волны слышимого звука может достигать более 15 метров! И это делает практически невозможным создание образа. Вместо этого мы используем тональность, ритм, громкость и прочие параметры для того, чтобы понять то, что стоит за этим звуком. То же самое происходит с гравитационными волнами — мы не можем использовать их для создания простых картин объектов Вселенной. Но прислушиваясь к изменениям в амплитуде и частоте этих волн, мы буквально можем слушать историю, рассказываемую этими волнами. И для ЛИГО частоты, которые она может воспринимать, находятся в доступном диапазоне. Если мы преобразуем характер волн в колебания давления в воздухе (в звук), мы сможем буквально услышать говорящую с нами Вселенную. Например, прослушивание гравитации таким способом может рассказать нам очень много о столкновении чёрных дыр, слившихся в том самом гравитационном танце 1,3 млрд. лет назад. 14.09.2015 посредством ЛИГО учёные услышали вот такой звук:

Нужно понимать, что это всего лишь одна волна из огромного количества, которые были рождены в момент слияния чёрных дыр. Если вы знает, как слушать, и у вас есть соответствующие инструменты, то вы понимаете, что это звук слияния двух чёрных дыр массами около 30 Солнечных (29 и 36), вращающихся друг вокруг друга со скоростью 100 оборотов в секунду.

Как нам использовать полученные знания?

ЛИГО — абсолютно новый инструмент для обзора Вселенной, которого у нас раньше не было. Он позволяет нам услышать вселенную ещё на гораздо более тонком уровне, чем ранее. Услышать невидимое, но существующее. А во Вселенной очень много того, что мы не можем увидеть. Например, мы можем узнать почему сверхмассивные звёзды взрываются в сверхновые. И только здесь информации для новых открытий хватит на десятилетия. На сегодняшний день основная проблема в том, что самые интересные процессы происходят в центре этих звёзд и мы никогда не сможем их увидеть. Гравитационные волны проходят эти звёзды насквозь, изменяя свою структуру подобно звуковой дорожке, записывая всё, через что она проходит. Мы никогда не увидим первые моменты существования Вселенной после Большого взрыва. БВ был невидим из-за собственного свечения. Гравитационные волны дают нам возможность увидеть всё с самого начала. Во Вселенной есть вещи, которые мы не можем себе даже представить. Даже в описанном случае ЛИГО открыл то, что никто не ожидал.

Мэт Эванс, физик из МТИ, один из сотрудников ЛИГО, проводит очень интересную аналогию:

Тип звёзд, которые образуют чёрные дыры — это динозавры Вселенной. Это очень древние массивные объекты казалось бы недоступных времён, а чёрные дыры — это словно кости динозавра, с которыми мы творим эту археологию. Это позволяет нам взглянуть с совершенно иной стороны на то, как устроена Вселенная, как появляются звёзды и как, наконец, из всего этого хаоса появились мы.

Можно описать это открытие более кратко, как Алан Адамс, профессор физики, в одном из своих выступлений:

Если вы посмотрите в ночное небо, то увидите звёзды. Посмотрев дальше, там будет ещё больше звёзд. Дальше — галактики. Ещё дальше — больше галактик. Глядя дальше и дальше, долгое время ничего не будет видно. Но в конце концов вы заметите слабое послесвечение. Это послесвечение Большого взрыва. Мы с захватывающей точностью отметили это послесвечение на карте Вселенной. И нас вот, что шокировало - послесвечение практически полностью однородно. 14 млрд. лет в каждую сторону мы имеем практически одну и ту же температуру. Мы находимся как бы в пузырьке. И это захватывает! Но недавно учёные открыли кое-что куда круче. Представьте, что вы молотом ударили в колокол - он зазвенит. Звон будет угасать, пока не угаснет совсем. То же происходит со Вселенной. Она была сжата в одну точку, пока по ней не "ударили". При этом звоном является структура пространства-времени, а молотом - квантовая механика. Этим звоном и являются гравитационные волны, которые были открыты. Это открытие в очередной раз подтверждает теорию о постоянно расширяющейся вселенной, включая идею о "пузырьке". Но по-настоящему безумная идея состоит в том, что наш "пузырёк" не единственный. Он один из бесконечного числа "пузырьков", находящихся в бурлящем котле Вселенной. Пока мы только предполагаем, но работая и занимаясь наукой, мы когда-нибудь сможем с уверенностью сказать, что наша Вселенная примерно так и выглядит. Это просто потрясающе!
Шёпот Вселенной. О величии открытия гравитационных волн и применении полученных знаний.

Нам сейчас необходимо быть до предела дерзкими. Благодаря ЛИГО мы теперь знаем, как строить точнейшие детекторы, которые позволяют нам слушать шёпот космоса. Мы должны и дальше мечтать о постройке ещё более совершенных обсерваторий — на Земле и в космосе. Мы должны задаться целью услышать Большой взрыв.

Основано на одном из выступлений Алана Адамса.

__________

Подписывайтесь на мой чат в Telegram. В нём я буду публиковать и статьи из Дзен, но в основном то, что сюда не войдёт по тем или иным причинам, а также различные рассказы о том, каково это заниматься наукой и с чем приходится сталкиваться.

Ваш Д.