«Відкриття, яке потрясло Всесвіт» - пряме спостереження гравітаційних хвиль від злиття двох чорних дір отримало нагороду від Нобелівського комітету.
Альберт Ейнштейн передбачив існування гравітаційних хвиль понад 100 років тому як логічний наслідок Загальної Теорії Відносності. Враховуючи, що ефект, викликаний проходженням гравітаційної хвилі через простір, неймовірно малий, сам Ейнштейн сумнівався, що його можна зареєструвати. Проте близько двох років тому обсерваторії-близнюки LIGO в Лівінгстоні і Хенфорді в США спіймали сигнал, який виявився гравітаційним слідом злиття двох чорних дір. За експеримент, який дозволив спостерігати цю подію, і була присуджена Нобелівська премія 2017 року.
Лауреатами стали Райнер Вайсс, Баррі Беріш і Кіп Торн. Райнер Вайсс, фізик-експериментатор з Массачусетського технологічного інституту (MIT), був однією з ключових фігур в обсерваторії LIGO: він розробив концепцію детектора в цілому, припустив, якими повинні бути технічні вимоги, щоб сигнал можна було зареєструвати, і організував фінансування і будівництво детектора. Свою частину премії Вайсс збирається віддати MIT на підтримку студентів.
Кіп Торн, фізик-теоретик з Каліфорнійського технологічного інституту (CalTech), передбачив, яка форма буде у сигналу від гравітаційної хвилі і як виділити його на тлі всіляких шумів. Баррі Беріш, який займався фізикою частинок в CalTech, очолив проект у важкі для нього часи; під його керівництвом обидва детектори вдалося налагодити до необхідної чутливості, щоб вони могли розпізнати сигнал. Беріш зазначив, що присудження Нобелівської премії трьом людям за відкриття, яке стало результатом важкої роботи великої команди, викликає у нього подвійні почуття.
Четвертою людиною, якій LIGO зобов'язаний багатьма технологічними рішеннями і яка могла б теж стати нинішнім лауреатом, був Рональд Древер. На жаль, він помер у березні цього року.
Що ж таке гравітаційні хвилі, і чому їх так складно спостерігати? Гравітаційні хвилі - це ряб простору-часу, викликана рухом масивних тіл з прискоренням (тобто зі зміною швидкості в часі). Іншими словами, простір локально стискається і розширюється в напрямках, перпендикулярних поширенню гравітаційної хвилі. Хвилі розходяться по Всесвіту зі швидкістю світла, і реєстрація їх вимагає неймовірної чутливості: наша планета, діаметр якої становить близько 13 000 км, при проходженні гравітаційної хвилі спалиться і розшириться на величину, порівнянну з розміром атомного ядра.
У минулому пропонувалося чимало варіантів пристроїв, які могли б зафіксувати таку подію. (Про деякі з таких пристроїв можна прочитати в нашому матеріалі.) Найуспішніший варіант реалізовано у величезній обсерваторії LIGO. Точніше було б назвати її обсерваторіями-близнюками: LIGO являє собою два величезних інтерферометри, розташованих на протилежних кінцях США на відстані 3 000 км. Дві обсерваторії необхідні для того, щоб виключити локальні джерела шуму. Під час проходження гравітаційної хвилі через нашу планету обидва детектори повинні зареєструвати однаковий сигнал з різницею в часі приблизно в одну соту частку секунди. Саме такий сигнал і був отриманий 13 вересня 2015 року.
Детектор влаштований на подив просто: це інтерферометр Майкельсона; за допомогою такого пристрою в 1887 році Майкельсон і Морлі вперше виміряли довжину хвилі світла. Лазерний промінь за допомогою світлоделювального напівпрозорого дзеркала ділиться на два ідентичних пучки, перпендикулярних один одному. Кожен з пучків відбивається від дзеркала в кінці плеча інтерферометра і повертається на світлоделитель. Звідти суперпозиція обох пучків передається на екран або світлочутливий елемент. Якщо змінити довжину одного з плечей, інтерференційна картинка зміниться. Ідея LIGO полягає в тому, що при проходженні гравітаційної хвилі довжина кожного плеча зміниться відповідним чином, і це повинно вплинути на інтерференційну картину. Райнер Вайсс був не першим, хто придумав використовувати інтерферометр Майкельсона для реєстрації гравітаційних хвиль, але він був першим, хто правильно оцінив масштаби завдання: довжина кожного плеча LIGO становить 4 кілометри!
Сьогодні LIGO настільки чутливий, що розрізняє зміну довжини плеча в 1/10 000 розміру протона. Він «чує» як б'ються хвилі океану об берег на відстані багатьох кілометрів, не кажучи про вантажівки, що проїжджають повз. Надійна фільтрація шуму і обробка даних, яка дозволить розпізнати сигнал, відповідний гравітаційній хвилі, - завдання, рішення якого воістину гідне Нобелівської премії. Варто зазначити, що на вирішення цього завдання пішло понад 40 років, не кажучи вже про зусилля більш ніж тисячі фізиків та інженерів. Фундаментальна фізика вже давно народжується в злагодженій роботі великої команди, будь то LIGO, ЦЕРН або який-небудь центр, керуючий дослідницькою міжпланетною місією.
Подія, на яку вказують перші зареєстровані коливання простору-часу, сталася близько 1,3 мільярдів років тому, коли на нашій планеті тільки зародилося багатоклітинне життя. Дві чорні діри, прискорюючись, кружляли навколо один одного в смертельному танці, поки не досягли половини швидкості світла і не злилися в нову надважку чорну діру. Така епічна за своєю руйнівною силою подія і створила гравітаційні хвилі, які дійшли до нас близько двох років тому.
На сьогоднішній день зареєстровано вже чотири злиття чорних дір, про останнє з яких було оголошено у вересні. Його «почув» і аналогічний LIGO детектор VIRGO в Італії, на якому нещодавно закінчилися технічні оновлення. Тріо інтерферометрів у різних точках планети дозволяє більш точно визначити розташування джерела гравітаційних хвиль у Всесвіті. (Огляд про зареєстровані злиття можна прочитати тут.) За неофіційними даними, колаборація LIGO/VIRGO нещодавно зареєструвала сигнал від злиття двох нейтронних зірок, яке було видно і в «звичайні» телескопи. І хоча детектори з безпрецедентною чутливістю поки не зареєстрували нічого цікавого в плані наукової новизни, вони відкривають нове джерело інформації про події зоряного і галактичного масштабу. Хто знає, можливо за цим піде і нова фізика.