Гравитационные волны — окно во Вселенную: ученые из России приняли участие в открытии столетия

Ученые впервые наблюдали колебания пространства-времени — гравитационные волны, пришедшие на Землю от катастрофы, происшедшей далеко во Вселенной. Это подтверждает важное предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна 1915 года и открывает беспрецедентное новое видение космоса. Об этом сегодня сообщили исследователи из коллаборации LIGO на пресс-конференциях в Вашингтоне, Лондоне и Москве.

Что такое гравитационные волны

Гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 5:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO — Laser Interferometric Gravitational Observatory), расположенных в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон, США. В данной коллаборации участвуют более 1000 человек, в том числе две российские группы — это сотрудники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

Эффект гравитационных волн на Земле заключается в том, что они вызывают чрезвычайно малое изменение размеров тел (в LIGO непосредственно измеряемые тела называют пробными массами).

• 
• лиго

Пресс-конференция исследователей из МГУ в Москве, а также в Вашингтоне (видео-конференция)

Детекторы LIGO обнаружили относительные колебания пар пробных масс, разнесенных на 4 км, величиною в 10^-19 м (это во столько же раз меньше размера атома, во сколько атом меньше яблока), тем самым доказав приход волн на Землю.

«Научное значение этого открытия огромно. Как и в случае электромагнитных волн, мы осознаем его в полной мере через некоторое время, — говорит профессор физического факультета МГУ Валерий Митрофанов, руководитель московской группы коллаборации LIGO.

По его словам, с момента открытия на LIGO зафиксировано еще несколько всплесков гравитационных волн от катастрофических событий в космосе, но они значительно слабее чем самое первое и сейчас идет обработка полученных данных для подтверждения, что всплески действительно были. Митрофанов обратил внимание, что даже самый мощный всплеск обрабатывали почти полгода. При этом Михаил Городецкий из той же группы заметил, что на самом деле самый первый всплеск был зафиксирован еще до официального запуска LIGO — во время тестовых запусков.

По словам профессора физического МГУ Сергея Вятчанина, LIGO проведена именно прямая регистрация гравитационных волн, по косвенным признакам их обнаружили еще в 70-е годы, за что впоследствии была присуждена Нобелевская премия по физике.

«Очень важно и примечательно, что фундаментальные открытия, сделанные замечательным российским ученым Владимиром Борисовичем Брагинским и его коллегами — квантовые пределы, способы квантовых измерений и квантовые флуктуации — оказались нужны и востребованы в этом проекте», — рассказывает о роли группы в проекте Игорь Биленко, профессор кафедры физики колебаний МГУ.

Он также уточнил, что данное исследование закрывает вопрос о том, реальны ли черные дыры — по его словам, полученные сигналы могли прийти только от этих интригующих космических объектов.

«Ряд наших исследований оказал влияние на выбор тех или иных решений в LIGO. Московская группа сделала многое для борьбы с шумами и для поиска различных эффектов, которые в обычной жизни почти не встречаются. Их очень сложно зафиксировать, но они оказывают влияние на очень чувствительные детекторы LIGO», — уточняет ассистент Леонид Прохоров.

• 
• лиго

Так выглядела регистрация сигнала от сталкивающихся черных дыр — сначала шум, а затем колебания масс под воздействием волн

Справка

В процессе работы московской группы над проектом LIGO получены результаты, имеющие значение не только для проекта поиска гравитационных волн, но и для физики в целом:

— Создан уникальный подвес пробных масс, выполненный из плавленого кварца. Измеренное время затухания маятниковых колебаний пробной массы составило около 5 лет. Экспериментально продемонстрировано, что в кварцевых подвесах отсутствуют избыточные механические шумы, обнаруженные в стальных нитях.

— Детально исследованы шумы, связанные с электрическими зарядами, находящимися на кварцевых зеркалах детекторов.

— Обнаружен новый класс фундаментальных термодинамических шумов в зеркалах детектора. Их анализ привел к существенному изменению в текущей оптической конфигурации LIGO.

— Указано на опасность эффекта параметрической неустойчивости интерферометра, который впоследствии был обнаружен в детекторах LIGO, предложены способы его предотвращения.

— Предложены и проанализированы качественно новые топологии оптической системы гравитационно-волновых детекторов, основанные на принципах квантовой теории измерений. Разработанные методы должны улучшить чувствительность следующих поколений детекторов и способствовать развитию гравитационно-волновой астрономии.

• 
• лиго

О роли физиков МГУ в конструировании детекторов LIGO

Гравитационные волны несут информацию о своем драматическом происхождении и о природе гравитации, которая не может быть получена иным способом. Физики пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны были порождены двумя черными дырами в последние доли секунды их слияния с образованием одной, более массивной вращающейся черной дыры. Возможность столкновения двух черных дыр предсказывалась, но такое событие никогда ранее не наблюдалось.

На основании наблюдавшихся сигналов ученые LIGO оценили, что чёрные дыры, учувствовавшие в этом событии, имели массы в 29 и 36 раз больше массы Солнца, а само событие произошло 1,3 миллиарда лет назад. За доли секунды примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Анализируя моменты прихода сигналов — детектор в Ливигстоне записал событие на 7 миллисекунд ранее детектора в Хэнфорде — ученые могут сказать, что источник был расположен в южном полушарии.

• 
• лиго

Схема излучения гравитационных волн. Mо — 1 солнечная масса

Согласно общей теории относительности, пара черных дыр, вращающихся вокруг друг друга, теряют энергию на излучение гравитационных волн, что заставляет их постепенно сближаться на протяжении миллиардов лет, и гораздо быстрее — на последних минутах. Во время последней доли секунды две черные дыры сталкиваются со скоростью почти в половину световой с образованием одной, более массивной черной дыры. При этом часть массы слившихся черных дыр превращается в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc². Эта энергия излучается в виде сильного всплеска гравитационных волн, которые и наблюдались LIGO.

Справка

Исследования в LIGO осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration), коллективом из более 1000 ученых из университетов в Соединенных Штатах и 14 других стран, включая Россию. В разработке детекторов и анализе данных участвуют более 90 университетов и научно-исследовательских институтов, существенный вклад также вносит участие около 250 студентов.

Сеть детекторов LSC включает интерферометры LIGO и детектор GEO600. Команда GEO включает ученых из Института гравитационной физики общества Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна, AEI) и университета Лейбница в Ганновере в партнерстве с университетами Великобритании: Глазго, Кардиффа, Бирмингема и другими, а также университета Балеарских островов в Испании.

Создание LIGO для обнаружения гравитационных волн было предложено в 1980 году профессором физики MIT Райнером Вайссом, профессором имени Ричарда Фейнмана теоретической физики Калтеха Кипом Торном и профессором физики того же института Рональдом Дривером. Ныне все они являются заслуженными профессорами этих институтов.

Коллаборация VIRGO состоит из более чем 250 физиков и инженеров, принадлежащих к 19 различным европейским исследовательским группам: 6 из Национального центра научных исследований (CNRS) Франции; 8 из Национального института ядерной физики (INFN) Италии; 2 из Нидерландов (Nikhef); (Wigner RCP) из Венгрии; группой POLGRAW из Польши и Европейской гравитационной обсерваторией (EGO), которая обеспечивает работу детектора VIRGO недалеко от Пизы в Италии.

Открытие стало возможным благодаря новым возможностям обсерватории второго поколения (Advanced LIGO), существенно модифицированной по сравнению с первым, что позволило значительно увеличить объем зондируемой Вселенной и открыть гравитационные волны уже во время первого цикла наблюдений. Национальный научный фонд США лидирует в финансовой поддержке Advanced LIGO. Финансирующие организации в Германии (Общество Макса Планка), в Великобритании (Совет по обеспечению науки и технологии) и Австралии (Австралийский совет по исследованиям) также внесли значительный вклад в проект. Некоторые из ключевых технологий, сделавших Advanced LIGO гораздо более чувствительной, были разработаны и испытаны в Германо — Британском проекте GEO. Значительные вычислительные ресурсы были предоставлены кластером AEI Atlas в Ганновере, лабораторией LIGO Университета Сиракуз и Университета Висконсина-Милуоки. Несколько университетов спроектировали, создали и испытали ключевые компоненты для Advanced LIGO: Австралийский национальный университет, университет Аделаиды, Университет Флориды, Стэнфордский университет, Колумбийский университет в Нью-Йорке, университет штата Луизиана.

Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и группой Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.