Лови волну!
Меньше чем за четыре года до того, как миру было представлено фото черной дыры, ученым удалось получить еще одно очень веское доказательство в пользу таких объектов, а заодно совершить открытие, которого ждали сотню лет. Речь идет об открытии гравитационных волн — их существование предсказал еще Эйнштейн в рамках общей теории относительности, но до 14 сентября 2015 года это была лишь гипотеза, хотя, как в случае с черными дырами, и очень достоверная.
Попытки поймать гравитационную волну на практике начались еще во второй половине ХХ века, и чтобы понять, почему успех пришел лишь полвека спустя, стоит вспомнить, что из себя представляют эти самые волны. Если представить пространство в виде натянутой ткани и поместить на нее шар, то ткань прогнется, а если добавить еще один шар, то оба тела скатятся друг к другу, а по полотну пройдут волны. То же самое происходит и в пространстве, когда взаимодействуют два тела, движущиеся друг к другу с ускорением — например, две звезды, вращающиеся вокруг общего центра. Они искажают пространство вокруг себя, отправляя в путешествие по Вселенной гравитационные волны.
Проблема в том, что эти колебания очень незначительны — упомянутые два шара на ткани тоже искажают пространство, но так ничтожно, что этим можно пренебречь. Другое дело — массивные звезды или черные дыры, но они находятся от нас на огромном расстоянии, а гравитационным волнам, как и любым другим, свойственно угасать. Когда они доходят до нас, степень искажения измеряется в величинах, которые в тысячи раз меньше атомного ядра. Первым, кто всерьез попытался их зафиксировать, стал американский физик Джозеф Вебер. Он собрал резонансный детектор и в 1969 опубликовал статью, где сообщал, что зафиксировал гравитационные волны. Но научное сообщество ему не поверило: амплитуда колебаний около 10−16, о которой он заявил, была слишком большой — согласно теоретическим расчетам, она должна быть хотя бы в миллион раз меньше. Многие исследователи пытались повторить его опыты, но ни один не добился успеха, и в 1970 году полученные им результаты были окончательно опровергнуты, хотя сам Вбер еще долго продолжал на них настаивать.
И хотя ученый услышал всего лишь шум, он сыграл важную роль в открытии гравитационных волн, вдохновив других исследователей на поиск новых, более действенных способов их зафиксировать. Детекторы становились все более надежными, снижался уровень шумов, но проект, который и привел к открытию, был основан лишь в 1992 году по предложению американских физиков Кипа Торна, Рональда Древера и Райнера Вайсса — в 2017 году Торн, Вайсс, а также еще один участник проекта, Барри Бэрриш, получат за свой вклад Нобелевскую премию по физике.
Гравитационная обсерватория LIGO
Проект получил название LIGO — он состоит из двух обсерваторий в США, находящихся на расстоянии около 3000 км друг от друга. Каждая из них представляет собой систему двух четырехкилометровых труб, расположенных в форме буквы Г. Очень грубо его устройство можно представить так: внутри труб создан глубокий вакуум, через который пущен лазер. В месте пересечения труб висит полупрозрачное зеркало с детектором, которое раздваивает сигнал лазера, и такие же зеркала стоят в конце каждой трубы. Волны света гасятся за счет специально подобранного расстояния между зеркалами, но как только оно хотя бы незначительно изменится, детектор зафиксирует вспышку, а измениться оно может как раз в том случае, если вмешается гравитационная волна, пришедшая из космоса. Две обсерватории нужны для того, чтобы исключить вмешательство шумов и других посторонних факторов, а кроме того, по отставании сигнала во времени можно примерно предположить, из какой области Вселенной пришла эта волна. Исторический сигнал, который был зафиксирован 14 сентября 2015 года, был порожден слиянием двух черных дыр — масса одной составляет около 36 солнечных, другой — около 29. Это открытие не только подтвердило существование черных дыр и всю ОТО, но и открыло новое поле для исследований. Гравитационные волны — еще один источник информации о Вселенной и ее объектах, и они многое могут нам рассказать не только о черных дырах — не в последнюю очередь ученые надеются получить о них информацию о слиянии нейтронных звезд и лучше понять их природу.
