123
Выбор редакции Наука

Гравитационные волны. Вклад российских учёных в значимое открытие современности

Как LIGO зафиксировал гравитационные волны

Как LIGO зафиксировал гравитационные волны

В сентябре 2015 года учёным международной научной коллаборации LSC (LIGO Scientific Collaboration) впервые в истории удалось детектировать гравитационные волны. Официально об открытии объявили 11 февраля 2016 года на специальной пресс-конференции, запись которой уже успела стать исторической. 15 июня научная коллаборация вновь обнаружила гравитационные волны — от второго источника (статья об этом была опубликована в Physical Review Letters). Значение этого открытия для мировой науки трудно переоценить хотя бы потому, что обнаружение гравитационных волн — первое прямое доказательство Общей теории относительности, господствующей парадигмы мироустройства.

О том, почему открытие имеет такое большое значение и о вкладе в него российских учёных, журналисту Russian IT World рассказал PhD студент Университета Гамбурга (The University of Hamburg) Михаил Коробко. Михаил исследует новые технологии для LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — обсерватории в США, впервые зарегистрировавшей гравитационные волны. На сегодняшний день LIGO — единственное место в мире, обладающее достаточными техническими возможностями для детектирования волн.

RITWorld: Расскажите, пожалуйста, что такое гравитационные волны?

 — Альберт Эйнштейн, разработав Специальную теорию относительности (далее СТО — прим. ред.), которая установила предел на максимальную скорость распространения взаимодействия — скорость света, поставил под сомнение классическую Ньютоновскую гравитацию (Закон всемирного тяготения Ньютона). Дело в том, что в этой теории предполагалось мгновенное распространение гравитации на любое расстояние, что входило в противоречие со СТО. Разрешением этого конфликта стала разработка Эйнштейном Общей теории относительности (далее ОТО — прим. ред.) — новой теории гравитации, дополняющей СТО. Её главным положением можно назвать установление связи между массой (энергией) тела и искривлением пространства-времени. 200То есть, если в плоское пространство, в котором, например, распространяется луч света, поместить массивное тело (скажем, звезду), то луч света отклонится от прямолинейного распространения. То же самое происходит, если луч света заменить на любой другой объект (шарик или планету).Таким образом, кажется, что звезда «притягивает» этот свет или планету. Однако поведение такого «притянутого» объекта будет отличаться от классически предсказанного — именно за счёт измененной геометрии пространства.

Интересно, что «неправильное» поведение планет — на примере Меркурия — было замечено ещё в середине XIX века, и классическая гравитация не могла объяснить этого поведения, в то время как ОТО дала полное описание наблюдаемому. Ровно так же в «классике» не получалось объяснить обнаруженное в начале XX века отклонение света от прямолинейного распространения под действием гравитации Солнца: свет не обладает массой (только энергией), так что школьная формула не дает никакого притяжения между светом и звездой, а вот ОТО как раз прекрасно всё объясняет. 200-2Из этой связи между энергией тела и искривлением пространства возникает эффект гравитационных волн: если два объекта (звезды или чёрные дыры) движутся друг вокруг друга с переменным ускорением, они будут создавать переменное искривление пространства, затрачивая на это энергию своего движения и постепенно сближаясь. Это самое переменное искривление распространяется от источника волнами, и именно это излучение мы детектируем с помощью LIGO. Можно сравнить гравитационные волны с рябью на воде, возникающей при движении поплавка (хоть это и очень грубая аналогия). Пространство-время периодически сжимается и растягивается, что для нас отображается как изменение расстояний между объектами, и ровно этот эффект мы используем для детектирования. Гравитационный детектор является по сути очень точным измерителем расстояния между двумя зеркалами. Эти зеркала массой в 40 кг помещаются в интерферометр и разносятся на 4 км друг от друга. Расстояние между ними измеряется на основе эффекта интерференции мощного лазерного луча, когда малейшие изменение в расстоянии изменяет мощность, измеряемую на одном из выходов интерферометра. Когда гравитационная волна достигает гравитационного детектора, расстояние между зеркалами изменяется на ~10^-18 м (что в сто миллионов раз меньше размера атома), и это изменение регистрируется в эксперименте.

Ritworld: Почему это открытие имеет такое большое значение?

 — Во-первых, это первое и единственное на данный момент прямое подтверждение ОТО. Все предыдущие (гравитационное линзирования, смещение перегилия Меркурия, и так далее) являются в некотором смысле косвенным доказательством: да, оно вытекает из решений уравнений ОТО, но это не значит, что оно не может следовать из некой иной теории гравитации, приводящей к тем же последствиям в данных явлениях. Гравитационные волны являются прямым решением уравнений ОТО и, таким образом, значительно сужают класс возможных теорий гравитации — теперь они должны давать ровно такое же решение в данном случае, как и ОТО. По сути же дела, учитывая, с какой точностью теоретические предсказания совпадают с наблюдаемым сигналом, можно говорить о значительном успехе ОТО для описания гравитации в различных её проявлениях.

Во-вторых, по сути дела, это открытие является и первым прямым наблюдением чёрных дыр. До сих пор можно было сомневаться в их существовании, но столь точное совпадение наблюдаемого сигнала с предсказаниями ОТО для слияния чёрных дыр даёт весомый аргумент в пользу их существования.

В-третьих, огромное количество событий во Вселенной до сих пор было скрыто от наших глаз — в конце концов, мы могли наблюдать Вселенную только в электромагнитном диапазоне, и уж если что-то было от нас сокрыто (межзвёздной ли пылью или другими объектами), шансов на наблюдение этого у нас не было. Да и многие явления (те же слияния чёрных дыр) практически не производят никакого ЭМ-излучения, которое мы могли бы зарегистрировать. Гравитационные волны невозможно «закрыть» от глаз — они есть само пространство-время, так что теперь мы открываем целое новое измерение в астрономии и сможем гораздо лучше понять, как устроена Вселенная.

Наконец, наблюдение позволило значительно ограничить возможную скорость распространения волн (в ОТО она равна скорости света, но в других теориях могла принимать и другие значения, в том числе больше скорости света) и на массу гравитона — гипотетической частицы, которая должна существовать в квантовой теории гравитации. Таким образом, это открытие, несомненно, приближает нас к объединению гравитации и квантовой механики — созданию Теории Всего.

RITWorld: Какое участие вы принимали в открытии? 

 — Я закончил физфак МГУ (МГУ им. М.В. Ломоносова — прим. ред.), где занимался теорией макроскопических квантовых измерений в приложении к гравитационным детекторам под руководством профессора Ф. Халили. Основная экспериментальная сложность проекта в том, что чувствительность LIGO в целом ограничена множеством разнообразных шумов, препятствующих наблюдению волн произвольно малой амплитуды. Шумов этих множество: это и сейсмические (например, проезжает машина и вибрация земли смещает зеркала или волны бьются о берег океана и тоже вызывает вибрации на зеркалах), различные электронные, броуновское движение молекул в зеркалах, флуктуации мощности лазеров — всё это мешает детектированию, и успешно устраняется в эксперименте.

Однако есть фундаментальный шум — дробовой шум лазера, возникающий из-за квантования энергии в лазерном луче: электромагнитная волна квантуется на отдельные фотоны, случайным образом приходящие на детектор, и эта фундаментальная случайность ограничивает чувствительность. С другой стороны, при отражении от зеркала фотон передаёт ему некоторый импульс (давление света) и смещает зеркало, а из-за случайности времени прибытия фотона это проявляется как случайная сила, действующая на зеркало. Эти два шума и ограничивают чувствительность интерферометра (детектор в настоящее время близок к этому пределу), и классически нет способа обойти это ограничение. Поэтому необходимо прибегнуть к квантовой физике для создания способа увеличения чувствительности в будущих поколениях детекторов. В МГУ я и занимался разработкой новых схем детектирования.

В настоящее же время я являюсь PhD студентом в Университете Гамбурга (Германия), Институте Лазерной Физики под руководством профессора Шнабеля и занимаюсь экспериментальной проверкой некоторых из этих схем на примере малых систем схожей конфигурации: работаю над квантовой оптомеханикой и пытаюсь наблюдать неклассическое поведение механических осцилляторов (мембран размером около миллиметра) при их взаимодействии с лазерным излучением. Такая система хоть и не способна детектировать гравитационные волны, но вполне аналогична по устройству гравитационному детектору и позволяет изучать различные способы увеличения чувствительности в условиях небольшой лаборатории, а не гигантского интерферометра. В нашей группе был разработан источник сжатого света, позволивший снизить дробовой шум гравитационно-волнового детектора GEO600 (Германия) ниже классического предела и продемонстрировать возможность использования квантовых эффектов для увеличения чувствительности детекторов. В данный момент я провожу эксперимент по новым способам использования сжатого света для детекторов. Таким образом, я работаю скорее на будущее гравитационной астрономии, нежели над нынешним поколением LIGO.

RITWorld: Много ли русских учёных работало над открытием? Чем они занимались?

 — Вообще впервые использование интерферометров для детектирования предложили именно советские учёные — М.Е. Герценштейн и В.И. Пустовойт. К сожалению, эта работа была не замечена, да и сами они не развивали идей. Так что обычно отсчёт LIGO ведется с американских учёных Р.Вайсса, Р.Дривера и К.Торна, которые независимо выдвинули те же идеи, сопроводив подробными расчётами и практическим дизайном. Тем не менее, практически с самого начала в развитии проекта принимала участие группа под руководством профессора, физика В.Б. Брагинского из МГУ, которая вела исследования по нескольким направлениям: теоретические основы квантовых измерений (посвящённые квантовым шумам, упомянутым ранее), разработка подвесов зеркал, шумы от электрических зарядов на поверхности зеркал и множество других разработок, которые значительно повлияли на развитие LIGO. Ещё одна экспериментальная группа в Нижнем Новгороде занимается разработкой оптических элементов для детектора. Кроме них множество российских учёных занимаются теоретическими расчётами в области ОТО (ГАИШ МГУ, ИНАСАН). Ну и, конечно, многие участвуют в коллаборации в составе иностранных научных групп, так что общее число российских ученых, внёсших вклад в открытие, оценить сложно, но только в соавторах статьи о детектировании их несколько десятков, а сколько не принимают активного участия в проекте… Несомненно, вклад российских учёных очень значителен.

Об авторе

Таня Коровкина

Таня Коровкина