Гравитационные волны
Обнаружение гравитационных волн, их главные астрофизические источники и регистрация с помощью детекторов aLIGO
Гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве-времени колебания геометрической структуры (метрики) пространства-времени, которые движутся со скоростью света. Их существование было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна сто лет тому назад. Это единственный эффект общей теории относительности, который до сих пор остался экспериментально не измеренным.
В течение последних 20 лет были приложены колоссальные усилия для их экспериментального обнаружения. Начиная с осени прошлого года, когда пошли непрерывные наблюдения на детекторе aLIGO (Advanced Laser-Interferometer Gravitatioal Wave Obsevatory) в США, стало ясно, что гравитационные волны от астрофизических объектов зарегистрированы, осталось лишь дождаться официального объявления об этом открытии.
Источники гравитационных волн
Главные астрофизические источники гравитационных волн — это сливающиеся двойные нейтронные звёзды или чёрные дыры, то есть два массивных объекта, которые вращаются по орбите вокруг общего центра масс.
Излучение гравитационных волн очень слабое для обычных двойных систем, например, для системы Земля-Солнце оно не играет никакой роли. А когда объекты очень массивные, например, две нейтронных звезды с массами 1.5 массы Солнца, и когда они находятся на очень тесной орбите (с периодами несколько часов и менее), эффекты сближения объектов становятся заметными. Гравитационные волны уносят энергию и момент импульса. Этот эффект был виден уже давно, в пульсарном тайминге от двойных пульсаров (это две нейтронных звезды с массами около 1.5 Солнца каждая, одна из звезд видна как радиопульсар) его обнаружили ещё в начале 1990-х годов, за это была дана Нобелевская премия по физике Р. Халсу и Дж. Тейлору в 1993 г. Из-за излучения гравитационных волн такие двойные пульсары рано или поздно должны слиться, т.е. они по спирали постепенно приближаются ближе, ближе, ближе и наконец сливаются.
Потенциальными источниками могут также быть двойные чёрные дыры. Они могут образоваться из очень массивных звёзд, когда в результате гравитационного коллапса ядра звезды в конце ее эволюции образуется не нейтронная звезда, а уже чёрная дыра. Такие двойные чёрные дыры тоже могут оказаться на тесной орбите, за счёт излучения гравитационных волн приближаться друг к другу и в конце концов слиться. Главная интрига того, что будет объявлено в четверг, состоит в том, что, по-видимому, детекторы LIGO открыли именно чёрные дыры с массой порядка 30 масс Солнца каждая. В этом большой интерес. Почему? С одной сторон, гравитационно-волновой сигнал пропорционален произведению масс объектов. То есть чем более массивны объекты, тем больше амплитуда сигнала, т.е. тем больше амплитуда флуктуаций пространства-времени, которые ловит гравитационно-волновая антенна на Земле. Поэтому при заданном уровне чувствительности антенна «проматривает» просто больший объём пространства. Поэтому вероятность того, что вы увидите сливающиеся чёрные дыры, конечно, больше. Иными словами, горизонт видимости при данной чувствительности этой антенны для чёрных дыр гораздо больше, чем для нейтронных звёзд, потому что масса сливающегося объекта в десятки раз больше.
Регистарция гравитационных волн
Регистрация гравитационных волн происходит довольно простым (идеологически) способом. Гравитационная волна, взаимодействующая со свободно движущимися пробными массами, заставляет эти массы с периодом гравитационной волны слегка двигаться относительно другог другв. Но эти движения ничтожны, поскольку амплитуда гравитационных волн очень мала. Она выражается в безразмерном отношении растяжений и сжатий пробных масс относитлеьно друг друга и ожидается порядка 10–22 — 10–21. Но с помощью лазерных многокилометровых интерферометров типа aLIGO, такие смещения можно измерить. Это было понято еще в 1960-х годах (работы Герценштейна и Пустовойта в СССР), и уже тогда начались интенсивные сначала теоретические, потом экспериментальные исследования (Р. Вайсс в MIT, группа В.Б. Брагинского на физфаке МГУ и др.), и наконец в начале 1990-х годов были выделены деньги на строительство лазерных гравитационно-волновых интерферометров. Они были построены США (Ханфорд, штат Вашингтон, и Ливингстон, штат Луизиана) в Италии под Пизой (VIGRO — французско-итальянский интерферометр). Последний пока находится на стадии модернизации, должен вскоре заработать.Это довольно интересная и очень сложная техника. Лазерный луч идёт в глубоком вакууме, там установлена определённая система зеркал, специальные дополнительные устройства, для того чтобы подольше задержать свет 4-км плечах интерферометра. Строительство таких многокилометровых лазерных интерферометров и сама техникиа регистрации сверхслабых сигналов с помощью лазерной интерферометрии представляет собой колоссальный технический и технологический успех.
Детектор аLIGO
Один детектор LIGO находится в штате Вашингтон на западном побережье, а другой в Луизиане в Ливингстоне. Это два лазерных интерферометра с плечами примерно по 4.5 км. Это интерферометры типа интерферометра Майкельсона. Мощный лазер посылает луч, который разделяется в двух взаимно перпендикулярных направлениях (плечах интерферометра). В конце плеч подвешены зеркала, специальным образом изолированные от различных шумов. Эти заркала играют роль пробных масс. Когда проходит гравитационная волна, эти зеркала чуть-чуть начинают колебаться в определённой фазе. Свет отражается от этих зеркал, потом опять собирается на разделителе и интерферирует на детекторе. Когда зеркала висят свободно (то есть на них не действует гравитационная волна), свет приходит на детектор в определённой фазе;, а когда зеркала начинают двигаться, интерференционная картина нарушается, начинает изменяться. По изменениям этой интерференционной картины можно судить о движении заркал — пробных масс. В этом состоит основная идея этого детектора.
Для этого нужны специальные очень стабильные лазеры, т.к. должна быть очень стабильная частота света. Трубы, а которых распространяется свет, глубоко вакуумированы, чтобы не было рассеяния на молекулах воздуха и пылинках. Сами массы представляют собой 30-килограммовые сапфировые зеркала со специальным покрытием, обеспечивающим очень высокий коэффициент отражения. Они подвешены на специальных кварцевых нитях. Осуществляется очень сложная система регистрации разных малых флуктуаций. Вокруг этого образовалась огромная увлекательная экспериментальная наука, как это всё можно измерить. Эффект очень слаб, чтобы его найти, вам нужно учесть огромное количество шумов, которые мешают регистрации таких малых флуктуаций. Потому что даже на расстоянии 4 км при амплитуде волны 10–21 у вас относительное изменение расстояний между зеркалами всего лишь 10–21. 10–21 умножаем на 4 км, получает 4×10–16 см, это в тысячу раз меньше, чем размер протона!
Детектор LIGO, Ливингстон, штат Луизиана (Caltech/MIT/LIGO Lab)
Представляете, надо измерить изменение расстояния с относительной точностью в абсолютных единицах меньше в 1000 раз, чем сам протон. Это же невероятно маленький размер. Невозможно себе представить, как такое можно сделать. Оказывается, с помощью лазерной интерферометрии, с помощью изменения интерференционной картины это возможно. Как только это было понято, экспериментаторы стали строить эти детекторы. Сначала были построены стометровые — трёхсотметровые прототипы в Калтехе (США), в Японии. В Германии под Ганновером работает шестисотметровая антенна GEO-600. Чем больше плечи интерферометра, тем чувствительнее этот прибор. Но слишком большие интерферометры тоже нельзя сделать, потому что начинают мешать другие эффекты. Тем не менее, это фантастический успех экспериментальной техники.
Обсерватории LIGO и VIRGO работали на более низком уровне чувствительности в течение нескольких лет с начала 2000 гг. Потом они была остановлена на модернзацию, чувствительность была улучшена в несколько раз. Планируется и дальнейшее улучшение чувствительности. Так что на полную проектную мощность эти детекторы выйдут где-то к в 2018–2019 гг.
Обработка данных с детекторов
Это очень сложная процедура. Почему? Потому что различные шумы (тепловые движения зеркал и жругих элементов интерфыерометра, дробовой шум фотонов в лазерном луче и т.д.) оказываются очень большими, и нужно найти сигнал, который в тысячи раз меньше, чем шум. Есть специальные методики, которые пришли из радиофизики, из техники обнаружения объектов радарами на фоне помех.
Важно отметить, что эти детекторы почти всенаправленные. То есть они не могут точно определить из какого направления сигнал пришёл. Если есть два почти всенаправленных детектора, просто по времени задержки между одним и вторым детектором можно определить кольцо на небесной сфере, откуда пришел сигнал. Когда будет третий детектор, ещё одно кольцо выделит два пятна на небе. Сейчас пока что это большое кольцо, поскольку работают всего два детектора aLIGO. Когда в сентябре 2015 г. был зарегистрирован первый сигнал, о котором предположительтно сегодня и рассккажут на пресс-конференции, коллаборация LIGO попросила все наземные и космические обсерватории (огромное количество астрономов в этом деле участвовало, в т.ч. Астрономы из ГАИШ МГУ) поискать, не было ли что-нибудь в определённые даты каких-нибудь электромагнитных сигналов. Почему? Потому что думается, что когда происходят такие мощные природные феномены, как слияние нейтронных звёзд или чёрных дыр, в ряде моделей может выделяться ещё в значительная электромагнитная энергия (радио, оптика, рентген и др.).
Итак, известно время, когда сработал ваш детектор, и выделено какое-то большое кольцо на небе, откуда мог прийти согнад. И нужно в этом стоге сена найти иголку — не было ли в этот момент какой-то необычной электромагнитной вспышки. От нейтронных звёзд совершенно точно должен быть электромагнитный сигнал. И это целая наука, какой он может быть. А от двойных чёрных дыр — вопрос открытый.
Первичные гравитационные волны
В прошлом году специалисты коллаборации BICEP объявляли об открытии первичных гравитационных волн, однако потом эти слухи были опровергнуты. Но первичные гравитационные волны — это совсем другое. Первичные гравитационные волны пришли к нам от эпохи, когда Вселенная расширялась ускоренно, и это след тех квантовых флуктуаций, которые отразились в первичных гравитационных волнах. Источники таких волн — это не какие-то материальные тела, а это именно сама стадия ускоренного расширения Вселенной приводит к появлению определённого спектра зпервичных флуктуаций метрики пространства-времени от частоты. Эти флкутуации отпечатываются в особенностях поляризации реликтового излучения. Одна из задач экспериментов по измерению реликтового излучения была, в частности, попытаться обнаружить и первичные гравитационные волны.
Но дело в том, что этот эффект на несколько порядков меньше, чем флуктуации температуры микроволнового фона, которые сами составляют 10–5, а эффект поляризации реликтового фона от первичных гравволн ещё меньше на несколько порядков. Оказывается, там есть очень много разных мешающих факторов, в частности, поляризация излучения на космической пыли может создавать очень похожие на гравитационные волны эффекты. И то, что было объявлено в 2014 году, оказалось эффектом, связанным с пылью, которая находится внутри нашей Галактики. Когда эту пыль аккуратно учли, оказалось, что всё, что намерено в поляризации, можно объяснить пылью. Поэтому сейчас нет никакого основания утверждать, что обнаружены первичные гравитационные волны.
Экспериментальное открытие гравитационных волн
О существовании гравитационных волн давно известно, но экспериментальное обнаружение — это экспериментальное обнаружение. Всегда оставалась какая-то вероятность того, что, допустим, у вас что-то не сработает, это был технический вызов. То, что они открыты, не меняет никаких фундаментальных теорий. Для астрофизики важно, каковы источники этих волн. Может быть, двойные нейтронные звёзды, а может оказаться, что чёрные дыры очень больших масс. Не очень больших, а масс порядка нескольких десятков солнечных. Это очень интересно, потому что мы плохо знаем, как образуются чёрные дыры и можем только косвенно по каким-то астрофизическим наблюдениям об этом судить. Это важно с точки зрения звёздной эволюции и вообще открывает совершенно новый канал информации об астрофизических источниках. Если раньше это всё изучали с помощью электромагнитного излучения или нейтрино, то теперь ещё и подключаются гравитационные волны, которые, во-первых, нигде не поглощаются, ни с чем не взаимодействуют. Они свободно распространяются и несут эту информацию о сверхсильных гравитационных полях.
Сама физика генерации гравитационных волн очень сложная и несёт информацию о структуре пространства-времени, которую никакое другое излучение (электромагнитное, нейтринное, ещё что-то) не несёт. И в этом смысле это, конечно же, совершенно уникальное орудие, уникальный способ для зондирования сверхсильной гравитации, которая определяет свойства чёрных дыр и очень компактных массивных объектов типа нейтронных звезд. Внутренняя структура чёрных дыр может быть очень нетривиальна. Это совершенно новый фронт науки, до сих пор он был сугубо теоретическим. Поэтому нет сомнения, что это чрезвычайно важное и перспективное направление развития вообще всех астрофизических исследований и фундаментальной физики в том числе. За экспериментальное открытие гравитационных волн, безусловно, надо давать Нобелевскую премию.
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
