Что означает обнаружение гравитационных волн

Сегодня должны сообщить о первом инструментальном обнаружении гравитационных волн и их главных астрофизических источников, с помощью детекторов aLIGO.

Гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве-времени колебания геометрической структуры (метрики) пространства-времени, которые движутся со скоростью света. Их существование было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна сто лет тому назад. Это единственный эффект общей теории относительности, который до сих пор остался экспериментально не измеренным.

В течение последних 20 лет были приложены колоссальные усилия для их экспериментального обнаружения. Начиная с осени прошлого года, когда пошли непрерывные наблюдения на детекторе aLIGO (Advanced Laser-Interferometer Gravitatioal Wave Obsevatory) в США, стало ясно, что гравитационные волны от астрофизических объектов зарегистрированы, осталось лишь дождаться официального объявления об этом открытии.
Источники гравитационных волн

Главные астрофизические источники гравитационных волн — это сливающиеся двойные нейтронные звезды или черные дыры, то есть два массивных объекта, которые вращаются по орбите вокруг общего центра масс.

Потенциальными источниками могут также быть двойные черные дыры. Они могут образоваться из очень массивных звезд, когда в результате гравитационного коллапса ядра звезды в конце ее эволюции образуется не нейтронная звезда, а уже черная дыра. Такие двойные черные дыры тоже могут оказаться на тесной орбите, за счет излучения гравитационных волн приближаться друг к другу и в конце концов слиться. Главная интрига того, что будет объявлено в четверг, состоит в том, что, по-видимому, детекторы LIGO открыли именно черные дыры с массой порядка 30 масс Солнца каждая.

Регистрация гравитационных волн происходит довольно простым (идеологически) способом. Гравитационная волна, взаимодействующая со свободно движущимися пробными массами, заставляет эти массы с периодом гравитационной волны слегка двигаться относительно друг друга. Но эти движения ничтожны, поскольку амплитуда гравитационных волн очень мала.

Но с помощью лазерных многокилометровых интерферометров типа aLIGO такие смещения можно измерить. Это было понято еще в 1960-х годах (работы Герценштейна и Пустовойта в СССР), и уже тогда начались интенсивные сначала теоретические, потом экспериментальные исследования (Р. Вайсс в MIT, группа В.Б. Брагинского на физфаке МГУ и др.), и, наконец, в начале 1990-х годов были выделены деньги на строительство лазерных гравитационно-волновых интерферометров. Они были построены США (Ханфорд, штат Вашингтон; Ливингстон, штат Луизиана) в Италии под Пизой (VIGRO — французско-итальянский интерферометр). Последний пока находится на стадии модернизации, должен вскоре заработать.

Это довольно интересная и очень сложная техника. Лазерный луч идет в глубоком вакууме, там установлена определенная система зеркал, специальные дополнительные устройства, для того чтобы подольше задержать свет 4-километровых плечах интерферометра. Строительство таких многокилометровых лазерных интерферометров и сама техника регистрации сверхслабых сигналов с помощью лазерной интерферометрии представляет собой колоссальный технический и технологический успех.

Один детектор LIGO находится в штате Вашингтон на западном побережье, а другой — в Луизиане в Ливингстоне. Это два лазерных интерферометра с плечами примерно по 4,5 км. Это интерферометры типа интерферометра Майкельсона. Мощный лазер посылает луч, который разделяется в двух взаимно перпендикулярных направлениях (плечах интерферометра). В конце плеч подвешены зеркала, специальным образом изолированные от различных шумов. Эти зеркала играют роль пробных масс. Когда проходит гравитационная волна, эти зеркала чуть-чуть начинают колебаться в определенной фазе. Свет отражается от этих зеркал, потом опять собирается на разделителе и интерферирует на детекторе. Когда зеркала висят свободно (то есть на них не действует гравитационная волна), свет приходит на детектор в определенной фазе, а когда зеркала начинают двигаться, интерференционная картина нарушается, начинает изменяться. По изменениям этой интерференционной картины можно судить о движении зеркал — пробных масс. В этом состоит основная идея этого детектора.

Для этого нужны специальные очень стабильные лазеры, так как должна быть очень стабильная частота света. Трубы, в которых распространяется свет, глубоко вакуумированы, чтобы не было рассеяния на молекулах воздуха и пылинках. Сами массы представляют собой 30-килограммовые сапфировые зеркала со специальным покрытием, обеспечивающим очень высокий коэффициент отражения. Они подвешены на специальных кварцевых нитях. Осуществляется очень сложная система регистрации разных малых флуктуаций. Вокруг этого образовалась огромная увлекательная экспериментальная наука, как это все можно измерить. Эффект очень слаб, и, чтобы его найти, вам нужно учесть огромное количество шумов, которые мешают регистрации таких малых флуктуаций.

Экспериментальное открытие гравитационных волн

О существовании гравитационных волн давно известно, но экспериментальное обнаружение — это экспериментальное обнаружение. Всегда оставалась какая-то вероятность того, что, допустим, у вас что-то не сработает, это был технический вызов. То, что они открыты, не меняет никаких фундаментальных теорий. Для астрофизики важно, каковы источники этих волн. Может быть, двойные нейтронные звезды, а может оказаться, что черные дыры очень больших масс (не очень больших, а масс порядка нескольких десятков солнечных). Это очень интересно, потому что мы плохо знаем, как образуются черные дыры, и можем только косвенно, по каким-то астрофизическим наблюдениям об этом судить. Это важно с точки зрения звездной эволюции и вообще открывает совершенно новый канал информации об астрофизических источниках. Если раньше это все изучали с помощью электромагнитного излучения или нейтрино, то теперь еще и подключаются гравитационные волны, которые нигде не поглощаются, ни с чем не взаимодействуют. Они свободно распространяются и несут эту информацию о сверхсильных гравитационных полях.

Сама физика генерации гравитационных волн очень сложная и несет информацию о структуре пространства-времени, которую никакое другое излучение (электромагнитное, нейтринное и др.) не несет. И в этом смысле это, конечно же, совершенно уникальное орудие, уникальный способ для зондирования сверхсильной гравитации, которая определяет свойства черных дыр и очень компактных массивных объектов типа нейтронных звезд. Внутренняя структура черных дыр может быть очень нетривиальна. Это совершенно новый фронт науки, до сих пор он был сугубо теоретическим. Поэтому нет сомнения, что это чрезвычайно важное и перспективное направление развития вообще всех астрофизических исследований и фундаментальной физики в том числе. За экспериментальное открытие гравитационных волн, безусловно, надо давать Нобелевскую премию.

Подробнее:
postnauka.ru/fa…








Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *