Что это?
В четверг (11 февраля) в 10:30 утра, Национальный Научный Фонд в Вашингтоне соберёт вместе ученых из Caltech, MIT и Научное Сотрудничество ЛИГ, чтобы объявить научному сообществу о результатах усилий предпринятых Лазерной Интерферометрической Гравитационно-Волновой Обсерваторией (ЛИГО) по обнаружению гравитационных волн.
В результате некоторых очень специфических слухов, направленных на возможное открытие этой неуловимой пульсации в космическом пространстве, большие надежды на то, что научное сотрудничество ЛИГО окончательно положит конец лихорадочным рассуждениям и объявит об открытии гравитационных волн.
Но почему это так важно? И что такое «гравитационные волны»?
Гравитационные волны в их наиболее обобщенном смысле – это пульсация в космическом пространстве. Предположенные Альбертом Эйнштейном чуть более 100 лет назад, эти пульсации переносят гравитационную энергию от ускорения массивных объектов в космосе. Мы можем представить гравитационные волны, как рябь на поверхности пруда; бросьте камешек в воду и волны пойдут по поверхности от упавшего объекта. Гравитационные волны похожи: столкните две чёрные дыры (как пример), и «рябь» пойдет в космическом пространстве, перенося энергию от места столкновения со скоростью света. Существуют не доказанные наблюдения наличия гравитационных волн, но их выявление считалось не возможным… до недавнего времени.
Что их производит?
Чёрные дыры самые массивные и плотные объекты, существующие во Вселенной, и, вероятно, являются очагами активности гравитационных волн, особенно при их столкновении и слиянии. Слияние чёрных дыр считается ключом роста механизма этих гравитационных гигантов. Когда две галактики сливаются их центральные, очень тяжелые, черные дыры начинают вращаться друг вокруг друга по спирали, а затем сталкиваются, образуя большую чёрную дыру. В этом случае, гравитационные волны происходят из вращающихся по спирали чёрных дыр до их столкновения. Чем больше сближаются объекты, тем сильнее увеличивается гравитационная энергия волн, забирая всё больше и больше энергии от чёрных дыр до их столкновения, звеня, как «колокольчик» после их слияния.
Другое энергетическое явление, генерирующее быстрое извержение гравитационных волн – сверхновые звёзды. После того, как у массивной звезды заканчивается водородное топливо, она взрывается, образуя массивное гравитационное давление. В результате взрыва, произойдет выстрел пульсации гравитационных волн, который пойдет сквозь космическое пространство.
Гравитационные волны также могут создаваться быстро вращающимися объектами, но тут есть одна уловка. Только асимметричные (т.е. не симметричные) огромные вращающиеся объекты могут испускать гравитационные волны в периодической форме. Например, быстро вращающаяся нейтронная звезда с выпуклым скоплением веществ с одной стороны полушария будет «расшевеливать» пространство-время для создания гравитационных волн. Однако идеально симметричная нейтронная звезда не будет создавать гравитационные волны. Самый простой способ понять это - представить мяч овальной формы, вращающийся на поверхности бассейна; пока мяч крутится, он создает крупные волны на поверхности воды. Мяч круглой формы, с другой стороны, будет создавать едва заметную рябь на поверхности.
Большой Взрыв, предположительно, также вызвал мощный поток гравитационных волн, при зарождении Вселенной, около 14 миллиардов лет назад. Тем не менее, эти начальные гравитационные волны, вряд ли будут обнаружены, так как их сигнал слишком слаб в современной Вселенной. Но предпринимаются попытки их обнаружения в «фоновом свечении» Большого Взрыва. Таким проектом считается телескоп BICEP2 на Южном Полюсе, который ищет очень специфичный тип поляризации в космическом микроволновом фоне, предположительно вызванный первичными гравитационными волнами. Несмотря на недавние объявление, эти сигналы пока что не обнаружены.
Как мы их можем обнаружить?
В 2002 году Лазерная Интерферометрическая Гравитационно-волновая Обсерватория (ЛИГО) начала работу над конкретной задачей: непосредственным обнаружением гравитационных волн проходящих через наш локальный объём пространства. Гравитационные волны передаются в космическом пространстве и могут быть обнаружены в любой части неба ночью и днём, проходя через туманности, звёзды и даже твёрдые планеты. Эти волны, теоретически, постоянно проходят сквозь космическое пространство, путешествуя абсолютно беспрепятственно.
Эти волны могут быть везде, но их эффект удивительно слаб, и ЛИГО был разработан, для зондирования возможного их существования. ЛИГО состоит из двух наблюдательных станций расположенных на расстоянии 2 тысячи миль друг от друга – одна в Вашингтоне, другая в Луизиане. Обе станции идентичны, и имеют два длинных L-образных туннеля. Каждый туннель длиной 2,5 мили. В угле «L» находится сложнейшая оптическая лаборатория, использующая лазеры, для обнаружения крошечных колебаний в расстоянии, вызванных прохождением гравитационной волны. По многоразовому «подпрыгиванию» лазеров вдоль тоннеля, и последующего сравнения лучей, оборудование ЛИГО способно обнаружить самое незначительное изменение фазы. Эта чрезвычайно точная техника называется интерферометрия. Любое изменение фазы может означать небольшое искривление пространства-времени – крошечное изменение расстояния, эквивалентное 1/1000 ширине протона.
До сих пор, ЛИГО не могло обнаружить любые сигналы гравитационных волн, но с обновлением до Advanced LIGO, ситуация может измениться.
Наличие двух станции имеет решающее значение для Advanced LIGO. Если одна станция обнаруживает изменение пространства-времени, а другая нет, ученые могут исключить распространение гравитационных волн. Эти ложные срабатывания могут быть вызваны вибрацией от проезжающего грузовика или при сильном ветре во время шторма. Только если две станции зафиксируют одно и то же событие, подтвердится существование сигнала гравитационной волны.
Другие наземные детекторы гравитационной волны, такие как Virgo (Италия) и GEO 600 (Германия), также используют интерферометрию, чтобы уловить эти крошечные колебания пространства-времени. Недавно стартовала миссия LISA Pathfinder для тестирования ключевых технологий, с помощью космического интерферометра следующего поколения Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA), который планирует запустить Европейское Космическое Агентство в 2034 году.
Почему они так важны?
Подтверждение обнаружения гравитационных волн станет окончательным слиянием теоретической физики и технологического развития. Гравитационные волны рождены непосредственно из общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает природу пространства и времени. Это удивительно, что 100 лет назад, год в год, Эйнштейн посеял семена для этих волнений в пространстве-времени, только для того, чтобы через век мы смогли разработать технологию и попытались фактически их обнаружить. Их обнаружение подтвердит ещё одно предположение общей теории относительности и поможет нам в будущем найти ответы некоторые из самых неприятных головоломок, стоящих перед астрофизиками и космологами.
Непосредственное обнаружение гравитационных волн, несомненно, событие достойное Нобелевской премии и научное сообщество не сомневается, что это достижение будет в одном ряду с открытием бозона Хиггса в 2012 году и возможно, даже с понятием Эдвина Хаббла о расширении Вселенной в 1929 году.
Любопытно, что он предположил, что разные космические явления будут создавать различные по частоте гравитационные волны. Современная астрономия сфокусирована на использовании электромагнитного спектра для исследования Вселенной. Традиционно, видимая часть света электромагнитного спектра, использовалась астрономами, чтобы открыть планеты и даже заглянуть в соседние галактики. По мере развития астрономических методов и модернизации технологий, астрономы начали изучать волны различной частоты, такие как рентгеновские лучи, чтобы увидеть энергетические события вокруг чёрных дыр, и инфракрасное излучение, чтобы заглянуть в звёздообразующие туманности.
Но непосредственное обнаружение гравитационных волн будет сдвигом парадигмы. С достаточным количеством детекторов гравитационных волн, мы сможем «увидеть» предметы и объекты, которые остаются невидимыми для электромагнитного спектра. Две столкнувшиеся чёрные дыры, для примера, не могут создавать достаточно много электромагнитного излучения, но они могут создать огромный гравитационно-волновой сигнал. И, как и электромагнитное излучение, частота гравитационных волн будет описывать природу явлений порождающих их.
В конечном счёте, мы сможем создать гравитационную карту близлежащей Вселенной с временными явлениями, как сверхновые звёзды, и периодические пульсации от вращения чёрных дыр. Астрономические гравитационные волны создадут революцию в нашем восприятии Вселенной.