Мы нашли гравитационные волны. Что дальше?

Дэвид Рейтце, исполнительный директор лаборатории LIGO, вчера утром вышел на подиум National Press Building в Вашингтоне и сказал слова, которых ученые ждали очень давно: «Мы обнаружили гравитационные волны». И набитый людьми зал в здании Калтеха в Пасадене, где собрались люди, чтобы посмотреть живую трансляцию, разразился бурными аплодисментами.

Подобные сцены, скорее всего, были разыграны в MIT, в Ливингстоне, в Ханфорде и в Европе, поскольку LIGO является международным проектом ценой в миллиард долларов. И чтобы этот момент свершился, потребовалось сто лет. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в своей общей теории относительности в 1915 году, а физики обнаружили их косвенное доказательство в 70-х и 80-х. Но прямое обнаружение оставалось призрачным — до сих пор. И история гравитационных волн, а также того, что они могут нам сказать, только начинается.

Вот как все было. Фиксируем для истории. 14 сентября 2015 года в 5:51 утра детекторы LIGO в Ливингстоне и Ханфорде зарегистрировали сигналы с разницей в миллисекунды. Волны этих сигналов близко соответствовали прогнозируемым (смотри ниже).

Это как звуковой отпечаток пальца, похожий на сигнатуры распада, которые физики высоких энергий используют для идентификации субатомных частиц, рождающихся при столкновениях на Большом адронном коллайдере. И именно это вы ожидаете обнаружить в своих данных, если две черные дыры массой в 30 солнц (то есть в 30 раз больше нашего собственного Солнца), закручивающиеся по спирали по направлению друг к другу, сольются в процессе массивного события и пошлют мощные ударные волны, рябью растекающиеся по пространству-времени, где-то за 1,3 миллиарда световых лет от нас.

Все было настолько хорошо, что Рейтце начал опасаться, что все слишком хорошо, чтобы быть правдой. Как и Алан Вайнштейн, возглавляющий LIGO в Калтехе. В конце концов, в начале оперативного этапа LIGO, руководители проекта намеренно вставляли ложные сигналы в данные для проверки строгости анализа. Даже если его коллеги заверили его, что новый сигнал не является частью «слепого вброса», Вайнштейн не поверил. Он решил, что это какой-нибудь недовольный и обиженный член команды LIGO сделал пакость из мести.

Или, возможно, это была работа злого гения. «Мы не можем исключать гипотезу злого гения, — заявил он во время пресс-конференции в Калтехе. — Мы делаем все возможное, чтобы исключить гипотезу злого гения. Но я думаю, что столкновение двух черных дыр более вероятно».

По одному только сигналу физики смогли вывести массы обеих черных дыр, изучая частоту (одна была 29 солнечных масс, другая 36). После слияния, новообразованной черной дыре не хватило примерно 3 солнечных масс — они были извергнуты в мощном всплеске гравитационных волн. Представьте, как три наших солнца внезапно аннигилируют, и вы поймете, о какой энергии идет речь. Изучение амплитуды показало, что столкновение произошло в 1,3 миллиарда световых лет от нас в южном полушарии.

Это не только первое обнаружение гравитационных волн, но и также первое доказательство существования бинарных систем черных дыр. И все это стало понятно по данным сразу после того, как обновленная Advanced LIGO начала работать. И она пока еще не работает со всей чувствительностью. Когда заработает, ученые ожидают увидеть намного больше событий, приоткрыть окошко в механизмы работы Вселенной. Вайнштейн сказал, что еще 12 связанных с LIGO работ будет опубликовано не сегодня завтра.

LIGO станет «новым инструментом по наблюдению новой формы излучения, приходящей с небес», говорит Билл Вебер, физики Университета ди Тренто и член коллаборации LISA Pathfinder.

«Первое обнаружение очень важно с точки зрения фундаментальной физики, поскольку оно не только рассказывает нам о гравитации, но и открывает окошко в ту Вселенную, которая ранее была темной, — говорит Эйвери Бродерик, физик Института Периметра и Университета Ватерлоо в Канаде. — Веками астрономы смотрели на ночное небо и думали о светлой стороне Вселенной. Теперь мы бросим первый взгляд на темную сторону. И есть мнение, что она будет такой же богатой и захватывающей».

Подумайте о новых возможностях в таком ключе: каждый раз, когда астрономы смотрели на нашу Вселенную в свете определенной длины волны — рентгеновском, инфракрасном, радио, гамма — они открывали аспекты, которых раньше не видели. Гравитационные волны будут такими же, только будут больше похожи на звук, чем на свет. Теперь мы будем не только смотреть на Вселенную, но и слушать ее. Мы всю жизнь были глухими, но теперь нам вернули слух.

Ключевое отличие в том, что если звуку нужна среда, в которой он путешествует, гравитационные волны движут среду — в данном случае само пространство-время. «Они буквально раздавливают и растягивают ткань пространства-времени», — говорит Кьяра Мингарелли, астрофизик гравитационных волн в Калтехе. Для наших ушей, волны, обнаруженные LIGO, будут звучать как бульк.

Как именно будет происходить эта революция? У LIGO сейчас есть два детектора, которые выступают «ушами» для ученых, и в будущем будет еще больше детекторов. И если LIGO стала первой обнаружившей, она явно не будет единственной. Типов гравитационных волн весьма много. На самом деле, их целый спектр, подобно тому, как бывают разные типы света, с различной длиной волны, в электромагнитном спектре. Поэтому и другие коллаборации вступят в охоту на волны с частотой, на которую не рассчитана LIGO.

Мингарелли работает с коллаборацией NanoGRAV (северо-американской наногерцевой обсерваторией гравитационных волн), частью крупного международного консорциума, в который входят European Pulsar Timing Array и Parkes Pulsar Timing Array в Австралии. Как следует из названия, ученые NanoGRAV охотятся на низкочастотные гравитационные волны в режиме от 1 до 10 наногерц; чувствительность LIGO находится в килогерцевой (слышимой) части спектра, ищет очень длинные волны.

Эта коллаборация опирается на данные пульсаров, собранные обсерваторией Аресибо в Пуэрто-Рико и телескопом Грин-Бэнк в Западной Вирджинии. Пульсары это быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые образуются, когда звезды массивнее Солнца взрываются и коллапсируют в себя. Они вращаются все быстрее и быстрее по мере сжатия, подобно тому как грузик на конце веревки крутится тем быстрее, чем короче становится веревка.

Они также испускают мощные всплески излучения по мере вращения, как маяк, которые фиксируются как импульсы света на Земле. И это периодическое вращение чрезвычайно точное — почти так же точно, как атомные часы. Оно делает их идеальными космическими детекторами гравитационных волн. Первое непрямое доказательство пришло в процессе изучения пульсаров в 1974 году, когда Джозеф Тейлор-младший и Расселл Халс обнаружили, что пульсар, вращающийся вокруг нейтронной звезды, медленно сжимается со временем — такой эффект можно было бы ожидать, если бы он преобразовывал часть своей массы в энергию в форме гравитационных волн.

В случае NanoGRAV, дымящимся пистолетом будет своего рода мерцание. Импульсы должны приходить одновременно, но если в них попадает гравитационная волна, они будут приходить чуть раньше или позже, поскольку пространство-время будет сжиматься или растягиваться по мере прохождения волны.

Массивы пульсарных временных решеток особенно чувствительны к гравитационным волнам, произведенным путем слияния сверхмассивных черных дыр в миллиард или десять миллиардов раз больше массы нашего Солнца, вроде тех, что скрываются в центре самых массивных галактик. Если две таких галактики сольются, дыры в их центрах также сольются и испустят гравитационные волны. «LIGO видит самый конец слияния, когда пары оказываются очень близко, — говорит Мингарелли. — С помощью МПВР мы могли бы видеть их в начале спиральной фазы, когда они только вступают в орбиту друг друга».

А есть еще космическая миссия LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Находящаяся на Земле LIGO прекрасно обнаруживает гравитационные волны, эквивалентные части спектра слышимого звука — вроде того, что произвели наши сливающиеся черные дыры. Но множество интересных источников этих волн выдают низкие частоты. Поэтому физики должны отправиться в космос, чтобы обнаружить их. Основная задача текущей миссии LISA Pathfinder (которая началась в декабре) — проверить работу детектора. «С LIGO вы можете остановить работу инструмента, вскрыть вакуум и все починить, — говорит Скотт Хьюз из MIT. — Но в космосе ничего не вскроешь. Придется сразу нормально делать, чтоб нормально работало».

Цель LISA проста: используя лазерные интерферометры, космический аппарат попытается точно измерить относительное положение двух 1,8-дюймовых золото-платиновых кубов в состоянии свободного падения. Размещенные в отдельных электродных боксах в 15 дюймах друг от друга, тестовые объекты будут защищены от солнечного ветра и других внешних сил, так что будет возможно обнаружить крошечное движение, вызванное гравитационными волнами (будем надеяться).

Наконец, есть два эксперимента, спроектированных для поиска отпечатков, оставленных первичными гравитационными волнами в реликтовом излучении (послесвечении Большого Взрыва): BICEP2 и миссия спутника Планка. BICEP2 заявил об обнаружении таковой в 2014 году, но оказалось, что сигнал был фальшивым (виновата космическая пыль).

Обе коллаборации продолжают охоту в надежде пролить свет на раннюю историю нашей Вселенной — и, надеюсь, подтверждение ключевых прогнозов инфляционной теории. Эта теория предсказала, что вскоре после своего рождения Вселенная пережила быстрый рост, который не мог не оставить мощных гравитационных волн, оставшихся отпечатком в реликтовом излучении в форме особых световых волн (поляризации).

Каждый из четырех режимов гравитационных волн откроет астрономам четыре новых окна на Вселенную.

Но мы-то знаем, о чем вы думаете: пора запускать варп-двигатель, чуваки! Поможет ли открытие LIGO построить Звезду Смерти на следующей неделе? Конечно, нет. Но чем лучше мы поймем гравитацию, тем шире мы будем понимать, как строить подобные вещи. В конце концов, это работа ученых, этим они зарабатывают на хлеб. Понимая, как работает Вселенная, мы можем больше полагаться на свои возможности.