Ученые вновь зафиксировали гравитационные волны – уже в четвертый раз за полтора года, прошедшие с тех пор, как это произошло впервые. Об этом было объявлено на специально созванной в среду, 27 сентября, в итальянской Каскине пресс-конференции.
Научные открытия не часто представляют с такой официальной помпой, поэтому многие ученые и журналисты ожидали более сенсационного объявления: ходили слухи, что специалисты совместной коллаборации VIRGO (Италия) и LIGO (США) объявят о фиксации гравитационных волн, порожденных слиянием двух нейтронных звезд, а не черных дыр, как до этого. Но нет: речь опять про черные дыры, просто впервые в истории гравитационные волны были пойманы сразу же тремя датчиками – двумя от коллаборации LIGO в американских Луизиане и Вашингтоне и еще одним – неподалеку от Пизы в Италии. Впрочем, есть основания надеяться, что колебания пространства и времени от слияния нейтронных звезд ученые уже тоже видели, но объявят об этом чуть позже.
Само наблюдение было сделано еще 14 августа этого года – как обычно в подобных случаях, полтора месяца ученым понадобилось, чтобы обработать данные и убедиться, что приборы детектировали именно чрезвычайно слабые гравитационные волны, а не посторонние шумы. Теперь сомнений нет: сигнал – легчайшая рябь в пространстве и времени – следствие космической катастрофы, произошедшей очень далеко и очень давно. На расстоянии около 2 миллиардов световых лет от Земли была система, состоящая из двух обращающихся вокруг общего центра масс черных дыр. Расстояние между ними постепенно сокращалось, пока два объекта не соединились – это слияние сопровождалось огромным выбросом энергии. Две черные дыры массами в примерно 31 и 25 масс солнца превратились в одну – массой в 53 солнечных. Таким образом материя массой в три солнца превратилась в гравитационно-волновую энергию – эти колебания пространства-времени и зафиксировали земляне через два миллиарда лет.
Ловят эти колебания с помощью специальных интерферометров. Дизайн детекторов LIGO и VIRGO схож: лазерный луч разделяется на два перпендикулярных пучка, они направляются по двум очень длинным трубкам (у LIGO – четырехкилометровым, у VIRGO – трехкилометровым), и бегают по ним, отражаясь от зеркал. Потом пучки снова складываются: если длины плеч прибора оставались одинаковыми, получается интерферационная картинка, как у исходного луча, а вот если на трубки воздействовала гравитационная волна (она немного изменяет расстояние между зеркалами), это будет заметно в получившемся сигнале.
Казалось бы, ничего особенно сложного – даже странно, что гравитационные волны, предсказанные еще Эйнштейном, мы экспериментально зафиксировали позже бозона Хиггса, для которого пришлось строить колоссальный Большой адронный коллайдер. Сергей Попов, астрофизик, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга (ГАИШ МГУ), объясняет, что это не так:
“Эксперимент по фиксации гравитационных волн – совершенно запредельной сложности именно в реализации. То есть достигнута очень большая точность, и в этом смысле ее смогли достичь, когда было сделано очень много высокотехнологичных разработок, связанных с чем угодно, от поддержания вакуума в этих четырехкилометровых тоннелях, до устройства зеркал, их подвесов, как эти зеркала напыляли... Потому что если там чуть-чуть не так напылить, то шумы не дадут обнаружить сигнал, что-то не так прикрутить – тоже все это будет происходить”. Попов считает, что детекторы гравитационных волн – одно из современных чудес света, наряду с БАК и Международной космической станцией. Семь чудес света тоже были в первую очередь технологическими достижениями".
Так выглядят детекторы LIGO в Вашингтоне и Луизиане
Состоявшееся наблюдение – уже четвертое такого рода, первое состоялось 14 сентября 2015 года (сообщили о нем только в феврале 2016-го). Нынешний прорыв – скорее технологический: в дело включился новый, европейский прибор VIRGO. Исследователи ожидают, что фиксация гравитационных волн теперь станет заурядным, еженедельным событием, во всяком случае в период наблюдений – следующий планируется на осень 2018 года. Кроме того, наличие на Земле трех детекторов позволяет значительно уточнить локализацию – район, где именно произошло событие, вызвавшее колебание пространства-времени.
"Точность возросла почти в 10 раз, – объясняет Сергей Попов. – Если раньше при двух детекторах LIGO речь шла о сотнях квадратных градусов, теперь речь идет о десятках квадратных градусов".
Это можно сравнить с сотней лунных дисков на небе – по сравнению с тысячей раньше. Но зачем нужна такая точность? В случае, когда гравитационные волны порождаются черными дырами, в общем не нужна. Мы не можем направить свои телескопы в нужное место, потому что ничего там не сможем увидеть: черные дыры по определению не излучают. А вот если возмущение пространства-времени вызвано, например, слиянием нейтронных звезд, ситуация намного интереснее, потому что его можно фактически увидеть.
Локализация источника сигнала при детектировании только LIGO и LIGO и VIRGO вместе
"При их слиянии идет гравитационно-волновой сигнал и, более-менее одновременно, происходит так называемый гамма-всплеск, – объясняет Попов. – Мы его не обязательно видим, поскольку это очень направленное излучение, но в нескольких процентах случаев мы можем ожидать, что луч попадает на нас. Кроме этого, после слияния нейтронных звезд значительная часть вещества, несколько десятых массы, сбрасывается, и в этом веществе происходят реакции термоядерного синтеза, образуются тяжелые элементы. Кстати, почти все золото, в том числе в ваших украшениях, когда-то образовалось именно в таком процессе. И вот это облако вещества, расширяющееся, в котором прошли термоядерные реакции, светится. И на протяжении довольно длительного времени после слияния, речь идет о днях, неделях, а не секундах, можно ожидать наблюдение вот этого их послесвечения".
Свечение это очень яркое – его можно сравнить с сотней новых звезд (изначально считалось, что тысячью – отсюда и название). Такое событие вполне можно наблюдать с Земли, если знать, куда смотреть. Если пойман гамма-всплеск, то этого достаточно для очень точной локализации, но он может уйти в другую сторону, и тогда на помощь придут гравитационные волны. Если и когда LIGO вместе с VIRGO поймают волну именно от пары нейтронных звезд, их данные позволят указать относительно небольшой сектор на небе, где в течение следующих недель можно обнаружить свечение в оптическом и инфракрасном диапазоне.
"Конечно, люди хотят увидеть все в комплексе – гравитационно-волновой всплеск, килоновую и гамма-всплеск. И действительно, когда все вместе, это не просто спортивный интерес – и поулпозишн получить, и самый быстрый круг, и гонку выиграть, это действительно дает новую физику. Потому что для одного и того же события будут измерены масса нейтронных звезд, масса того, что получилось, размеры нейтронных звезд, сколько было сброшено вещества, какие там прошли реакции. Все вместе, конечно, позволяет гораздо больше узнавать, гораздо лучше выжимать теоретические модели. А если модели не описывают, то, соответственно, продвигаться дальше", – говорит Попов.
Фантазия художника на тему слияния двух черных дыр
Гравитационные волны открывают для нас еще один орган чувств, с помощью которого мы можем познавать Вселенную, как если бы человек, обладавший раньше только зрением, теперь получил еще и слух. Астрофизики мечтают "услышать" таким образом нейтронные звезды – поэтому анонс вчерашней пресс-конференции VIRGO вызвал ажиотаж, многие надеялись, что объявление будет связано именно с ними:
“Грядущие данные по гравитационным волнам при слиянии нейтронных звезд очень сильно помогут продвинуться, позволят точно определять радиусы нейтронных звезд, что сразу связано с их внутренним строением, возможно, предельные массы нейтронных звезд, и может быть, еще какие-то детали", – надеется Сергей Попов.
Новости оказались не такими захватывающими, но в академической среде ходит слух, что само событие все-таки произошло, просто о нем решили объявить позже, намекает он:
"С одной стороны, официально ничего не объявляется, а с другой стороны, любой ученый на вопрос в фейсбуке получает от коллег, я думаю, абсолютно правильную, но без деталей информацию о том, что, да, зарегистрировали, да, в октябре ожидается официальная пресс-конференция. Так что, в общем, слухи очень надежные, остается просто дождаться деталей".