Нещодавно відбулося відкриття гравітаційних хвиль, існування яких було передбачене рівно сто років тому Альбертом Ейнштейном. Інформаційний центр з атомної енергії провів відкриту лекцію, де головний науковий співробітник Інституту ядерної фізики ім. Г.Н. Будкера СО РАН, професор Валерій Іванович Тельнов розповів, як вчені помітили сигнал і навіщо хвилі потрібно вивчати.
Гравітація - одне з чотирьох фундаментальних взаємодій частинок. У класичній механіці вона описується законом всесвітнього взаємодії, сформульованим Ісааком Ньютоном. Ця сила надає вагу тіл, обумовлює руху планет, і за своїм характером нагадує іншу взаємодію - електромагнітне. Однак є істотні відмінності: немає позитивних і негативних зарядів, гравітаційна сила викликає тільки тяжіння тіл, сила якого точно пропорційна інертною масі об'єкта. Виходить, що всі вільні тіла в полі тяжіння Землі падають з однаковим прискоренням, і в супутньої системі відліку гравітаційне поле планети зникає, звідси виникає питання про реальність останнього. У 1915 році Альберт Ейнштейн створив теорію гравітації, назвавши її Загальною теорією відносності, де він відмовився від поняття «поля», яке є в електромагнетизмі, а зв'язав все прояви гравітаційної взаємодії з спотворенням геометрії простору навколо тіл: гравітація - це наслідок кривизни простору часу, яку створює матерія. У 1916 році Ейнштейн передбачив існування гравітаційних хвиль, що біжать зі швидкістю світла і представляють собою деформацію простору. Вони можуть випускатися, наприклад, парою зірок, що обертаються навколо загального центру мас.
- Електромагнітні хвилі були відкриті Генріхом Герцем через 20 років після їх передбачення Джеймсом Максвеллом в середині XIX століття. В експерименті Герца випромінювач знаходиться в одному кутку кімнати, а приймач в іншому. Здійснити подібний експеримент для гравітаційних хвиль всередині лабораторії не вийде, тому що взаємодія занадто слабке, - каже Валерій Іванович Тельнов.
Гравітаційні хвилі, які можуть створити експериментально спостережувані розтягнення простору (в районі Землі), здатні виробляти тільки космічні тіла зоряних мас. Саме на такі катастрофічні явища сподівалися експериментатори при розробці детекторів.
- Перша спроба зареєструвати гравітацію була зроблена ще в кінці 1960-х років. Американський фізик Джозеф Вебер в 1969 році повідомив, що виявив хвилі. Він шукав їх за допомогою твердотільної антени - алюмінієвого циліндра, реєструючи за допомогою п'єзодатчиків коливання в циліндрі, викликані проходить гравітаційної хвилею, - розповідає вчений.
Два таких приладу Вебера, розміщені на відстані двох кілометрів один від одного, одночасно видали сигнали. У 1970-х роках результати цих експериментів були поставлені під сумнів, оскільки отримані дані виявилися в мільйони разів більше очікуваних. У наступні роки чутливість детекторів зросла на сім порядків, але цього все одно було недостатньо.
- Потужний лазер посилає промінь - електромагнітну хвилю, яка поділяється і накопичується (циркулює приблизно 200 раз) в двох плечах інтерферометра. Дзеркала інтерферометра, спеціальним чином ізольовані від різних шумів, трохи зміщуються (за рахунок розтягування-стиснення простору), коли проходить гравітаційна хвиля. Світло відбивається від дзеркал, потім знову збирається на роздільник і інтерферує, що реєструється фотоприймачем. У спокійному стані сигналу немає, він виникає, коли з'являється різниця в довжинах плечей інтерферометра, - пояснює Валерій Тельнов.
Чорну діру можна описати так: якщо взяти масу і почати стискати, то після певного розміру гравітаційне тяжіння стане настільки сильним, що ніщо вже не зможе утримати її від подальшого схлопування в «точку», в такий об'єкт, звідки не може вибратися навіть світло. У центрах практично всіх галактик знаходяться гігантські чорні діри з масою від мільйона до десяти мільярдів мас Сонця, наприклад, маса чорної діри в центрі нашої Галактики становить чотири мільйони мас Сонця.
Обробивши дані на суперкомп'ютері, вчені встановили, що спостережуваний сигнал дуже добре пояснюється злиттям двох чорних дір (їх маси були рівні приблизно тридцять шість і двадцять дев'ять мас Сонця) на відстані 1,3 мільярда світлових років від Землі, а. В результаті об'єднання утворилася нова чорна діра в шістдесят дві маси Сонця, а три пішло в гравітаційне випромінювання. Пікова потужність при злитті становила 3,6 • 1047 Вт, що в 50 разів більше, ніж потужність випромінювання всіх зірок на небі в усій видимого Всесвіту. Це наймасштабніше енерговиділення, яке коли-небудь спостерігав людина.
Хто ще працює над подібними дослідженнями?
- Подібний LIGO детектор (VIRGO) вже є в Європі і знаходиться на стадії модернізації, будуються об'єкти в Індії і Японії. Знову ж в Європі готується ще на порядок більше чутливий експеримент - це детектор Einstein Telescope, він буде готовий тільки в 2027 році. Три тунелю під землею, їх довжина по десять кілометрів, і в кожному з них буде кілька лазерних резонаторів. Вартість цієї установки оцінюється в один мільярд доларів, - розповідає вчений.
Майбутні детектори планується робити підземні, це дозволити знизити рівень шуму поверхневих сейсмічних хвиль.
Інший цікавий проект - інтерферометр, що знаходиться в космосі: три тіла, і між ними два плеча з лазерами довжиною по одному мільйону кілометрів, що літають по орбіті навколо Сонця на кутовій відстані 20º від Землі. Він буде реєструвати гравітаційні хвилі від надмасивних об'єктів з частотами 10-5-1 Гц (1-104 Гц для LIGO).
Навіщо вивчати гравітаційні хвилі?
За їх допомогою вчені планують дізнатися набагато більше про нейтронні зірки і чорні діри. Не виключено, що останні утворилися на ранній стадії розвитку Всесвіту і є темною матерією, якою раз в 5-6 більше, ніж звичайної. Її природа досі незрозуміла, хоча ведуться пошуки в усіх напрямках. Також є надія, що будуть зареєстровані реліктові хвилі, тоді людство дізнається про те, як виник Всесвіт.
- Ще одна її загадка - вона постійно збільшується. Очікувалося, що швидкість розльоту галактик буде сповільнюватися, адже гравітаційне тяжіння має залучати їх назад. Однак 15 років тому вчені виявили: Всесвіт не тільки не уповільнює своє розширення, але і, навпаки, прискорено розганяється. Фактично дослідники відкрили антигравітацію в космологічних масштабах, яку асоціюють з темною енергією. Її теж потрібно пояснити, а для цього необхідно детально вивчити, як швидкість розширення Всесвіту змінювалася від часу, - каже Валерій Іванович Тельнов.
Фото: (1,3) - надані Інформаційним центром з атомної енергії, (2) - надано Валерієм Тельнова