Пронзая черные дыры и время

Люди мечтают о создании машины времени, порталов для телепортации, антигравитационных двигателей, принципиально новых средств связи и прочих умопомрачительных вещах, и их фантазии на шаг, а может быть, и на милю приблизились к реальности благодаря новому открытию ученых. Им удалось поймать сигнал от гравитационной волны, возникшей в результате столкновения черных дыр. Это кажется невероятным, но столкновение произошло 1,3 миллиарда лет назад!

Светит "нобелевка"

Авторам открытия светит Нобелевская премия, не сомневается ученый мир. Еще бы! В чем значение открытия? Во-первых, теперь подтверждены все до одного предсказания Эйнштейна, сделанные им в общей теории относительности в 1916 году. Во-вторых, исследование гравитационных волн дает надежду на выявление связей между двумя основополагающими теориями современной физики - общей теорией относительности и квантовой механикой. В-третьих, обнаружение этих волн впервые напрямую подтверждает давнишнюю гипотезу. Это так называемая теория инфляции, согласно которой в первую долю секунды после Большого взрыва Вселенная колоссально расширилась.
Хотя с точки зрения нашей повседневной жизни последствия этого открытия предсказаниям не поддаются.
- Когда создавалась теория электромагнетизма, ученые также не предполагали, что наступит время, когда человек не сможет жить без радио, телевидения, телефона, Интернета. Появление этих благ цивилизации было невозможно без открытия электромагнитных волн, - проводит параллель член-корреспондент РАН, заместитель директора по научной работе Института прикладной физики (ИПФ РАН) РАН Ефим Хазанов, один из участников этого проекта (на фото).
- Открытие гравитационных волн - это очень важное событие для фундаментальной науки. Так часто бывает в физике: теория находит косвенные подтверждения в эксперименте, и ученые договариваются считать ее правильной, несмотря на отсутствие прямых доказательств. Так было с открытием элементарной частицы - бозона Хиггса в 2012 году, которая также теоретически была предсказана много лет назад… Наука так устроена, что пока нет прямого подтверждения, любая теория не может чувствовать себя комфортно. Гравитационные волны - это один из краеугольных камней общей теории относительности Эйнштейна, - рассказывает Ефим Аркадьевич.
Работу по открытию гравитационных волн вело научное сообщество LIGO - группа, включающая более 1000 ученых из университетов Соединенных Штатов и из 14 других стран. ИПФ РАН вступил в это сообщество в 1997 году и активно работает в нем и по сей день. Таким образом, нижегородцы, а это научная группа из двух человек под руководством члена-корреспондента РАН, директора Института прикладной физики РАН Александра Сергеева, имеют самое непосредственное отношение к этому громкому мировому открытию.

Где-то далеко от Земли

Гравитационные волны были обнаружены 14 сентября 2015 года в 5.51 утра по восточному поясному времени (9.51 всеобщего скоординированного времени), их зафиксировали специально сконструированные для этого два детектора в США. Далее ученым потребовалось убедиться, что принятый сигнал - это действительно те самые волны.
Для того чтобы измерить гравитационные волны, были созданы два детектора (интерферометра), каждый состоит из множества частей, и каждая уникальна. Длина детектора - 4 километра, он напоминает английскую букву L. Используется лазерный луч, разделенный на два пучка, он проходит по плечам детектора, представляющим собой трубы диаметром четыре фута (около 1,2 метра) с почти полным вакуумом.
Согласно теории Эйнштейна, при прохождении гравитационной волны через детектор расстояние между зеркалами изменится на чрезвычайно малую величину. Может быть обнаружено изменение длины плеч меньше чем на одну десятитысячную диаметра протона.
Гравитационные волны очень слабые, они возникают при столкновении небесных тел, которые находятся очень далеко от Земли. Движутся они со скоростью света.
Такие волны очень трудно измерить, потому что фактически они представляют собой изменение самого пространства, и поэтому любая материальная "линейка" будет изменять свою длину вместе с пространством.

Десять лет на задачу

Чтобы получить фантастическую чувствительность детектора и поймать сигнал, потребовались усилия самых разных ученых - специалистов в области лазеров, оптики, механики, термодинамики, радиофизики, астрофизики. Ранее ничего подобного такому детектору не создавалось.
Перед нижегородскими учеными стояла задача создать оптический изолятор, который свет от лазера пропускает только в одну сторону. Оптический изолятор, или изолятор Фарадея (в основе лежит эффект Фарадея), и был сконструирован в ИПФ РАН от начала до конца. Было придумано, как он должен работать при большой мощности излучения, что прежде всего и усложняло задачу. Уникальный оптический изолятор был испытан сначала в России, а затем в Америке. Потом его установили на детектор. Эта работа заняла 10 лет.
Нижегородцы свою часть работы закончили еще в 2007 году. Детектор работал, но сигнала не было. Установку закрыли в 2011 - 2012 годах для усовершенствования. И хотя в ней были заменены многие части, нижегородский прибор оставили в неизменном виде. Вновь детектор включили в 2015 году. В сентябре сигнал был принят. Затем потребовалось время, чтобы получить подтверждение того, что это именно реальный сигнал, а не шум. Сотни ученых должны были удостовериться в его подлинности, а это стало бы возможным, если одновременно придет сигнал одинаковой формы.
И первый из них записал прибор, расположенный в городе Ливингстон в штате Луизиана, затем сигнал поймал его собрат в Хэнфорде штата Вашингтон. Подобное мог зафиксировать и третий детектор, расположенный в Италии, на котором, к слову, также стоит изолятор, сконструированный сотрудниками ИПФ РАН. Однако на момент прихода "привета из космоса" он не работал.

Расскажут дыры

Это открытие - шаг к разгадке тайны происхождения Вселенной, к пониманию того, как она образовалась и развивалась, на самом ли деле все начиналось с Большого взрыва. Вся информация из космоса, которая у нас есть, приходит в виде электромагнитных волн, и принимают их телескопы. Гравитационные волны - это совершенно иной способ получения информации. Как, скажем, разнятся зрение и обоняние у человека.
Первый сигнал, так случилось, был послан черными дырами.
Физики пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны образовались в последнюю долю секунды слияния двух черных дыр, чтобы произвести одну, более массивную, вращающуюся черную дыру. Это столкновение двух черных дыр было предсказано, но никогда не наблюдалось. Ученые LIGO оценивают, что черные дыры до столкновения были в 29 и 36 раз больше массы Солнца. И образовывалась эта масса с максимальной выходной мощностью, примерно в 50 раз превышающей мощность всей видимой Вселенной.
Судя по моменту прихода сигналов (детектор в Ливингстоне записал событие на 7 миллисекунд раньше, чем детектор в Хэнфорде), ученые могут сказать, что источник был расположен в южном полушарии Вселенной.
Теперь детекторы будут находиться на круглосуточном дежурстве и ждать сигналы произошедших во Вселенной изменений. И от обсерватории LIGO ученые будут ждать новой информации. Тем более что попытки заглянуть поглубже в тайны мироздания продолжатся. И сегодня уже идет работа над детектором третьего поколения, который сможет ловить сигналы-отголоски более далеких как в пространстве, так и во времени событий.
В Институте прикладной физики уже думают над тем, как создать более совершенный оптический изолятор. А он, кстати, открывает новые возможности и в создании лазера нового поколения.
- Фундаментальная наука не может финансироваться по тем критериям, что и прикладная. А в России в последнее время считается, что научные разработки должны финансироваться под конкретный проект, приносить пользу в виде конкретных результатов или научных статей. В нашем институте сотрудничество с LIGO наладили по собственной инициативе, ведут исследования на свои средства. Но если мы хотим движения вперед, науку, не ориентированную на конкретный результат, государству тоже необходимо поддерживать, - говорит Ефим Хазанов.

Александра МАХЛИНА. Фото Александра ВОЛОЖАНИНА.

Кстати

Первым шагом на пути к обнаружению гравитационных волн стало открытие в 1974 году двойного пульсара американскими учеными Джо Тейлором и Расселом Халсом. (Пульсары - это нейтронные звезды, образовавшиеся после вспышек сверхновых. Постоянство пульсации объясняется стабильностью вращения нейтронных звезд. - А.М.) Наблюдения за пульсарами позволили косвенно выявить существование гравитационных волн, а также определить время жизни пары взаимодействующих нейтронных звезд - 200 млн лет. Вселенная существует гораздо дольше, а значит, слияние двух звезд, приводящее к импульсу гравитационного излучения, можно наблюдать. За свое открытие Тейлор и Халс в 1993 году получили Нобелевскую премию по физике.