Гравитационные волны: от теории до открытия

Необходимость существования гравитационных волн предвидел еще Ньютон. Из его рассуждений следовало, что между любой планетой и Солнцем существует сила, которая действует на расстоянии. В те времена ученые полагали, что взаимодействие может возникать лишь при непосредственном воздействии тел друг на друга.

Только позже возникло представление о гравитационном потенциальном поле. Но это не сделало ньютоновскую гравитацию динамической. Поэтому возникала проблема: гравитация Ньютона устроена так, что если резко изменить положение Солнца или если вдруг оно совсем исчезнет, то мы на Земле узнаем об этом мгновенно.

Но эта нелогичность была очевидна и самому Ньютону, и она его беспокоила. В качестве решения он предполагал существование частиц, посредством которых передается гравитационное взаимодействие. Поток таких частиц должен распространяться из центра тела равномерно во все стороны и поэтому убывать пропорционально изменению площади сферы. Возможно, эта гипотеза и натолкнула Ньютона на мысль, что сила убывает как обратный квадрат расстояния до ее источника.

Как бы то ни было, но в конце концов ученые пришли к выводу, что должна быть теория, которая включает гравитацию Ньютона и одновременно описывает динамику некоторого поля. То есть какие-то волны. Иначе мы получаем что-то вроде «жуткого действия на расстоянии».

Поэтому не удивительно, что научно существование гравитационных волн впервые было обосновано в 1916 году Альбертом Эйнштейном на основании общей теории относительности. Эти волны представляют собой изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. При прохождении гравитационной волны между двумя телами расстояние между ними изменяется. Относительное изменение этого расстояния служит мерой амплитуды волны.

А если гравитационные волны существуют, то они должны излучаться любыми двигающимися телами. (Точнее только теми, которые двигаются с меняющимся во времени ускорением).

Отличная идея! Остается только измерить поле, создающее эти волны. Но проблема в том, что гравитационное взаимодействие очень слабо, а доступные нам возможности по ускорению массивных тел слишком малы для подобных измерений. Даже если бы мы попытались провести данные измерения с объектами солнечной системы, то выяснили бы, что интенсивность излучения на массах и ускорениях планет просто ничтожна, чтобы быть зафиксированной.

Оказалось, что решить задачу могут помочь двойные звездные системы.

В таких системах бывают ситуации, когда составляющие их небесные тела быстро вращаются вокруг общего центра масс на небольшом расстоянии друг от друга. Чем больше массы этих двойных систем и быстрее вращение, тем больше потери энергии на излучение гравитационных волн. Если достаточно долго наблюдать за такой системой, то проявление гравитационных волн можно обнаружить.

Здесь важно понимать, что возможность регистрации гравитационных волн в такой двойной системе появляется в результате ускорения вращения при сближении звезд, которое достигает максимума непосредственно перед столкновением, но не само столкновение. Как раз в момент столкновения и после гравитационные волны не испускаются.

Еще с 70-х годов прошлого века ученые наблюдали, как в двойных системах типа радиопульсаров звезды приближаются друг к другу и теряют энергию. Оказалось, что результаты этих наблюдений хорошо согласуются с тем, что предсказывает общая теория относительности.

Но это было лишь косвенным подтверждением существования гравитационных волн.

Их прямое проявление удалось зафиксировать только в конце 2015 года.

Это было сделано с помощью двух американских детекторов LIGO, которые расположены на северо-западе и юго-востоке США соответственно, на расстоянии около трех тысяч километров друг от друга.

Главная проблема при измерении гравитационных волн состоит в том, что их амплитуды очень малы, а длины этих волн очень велики. Для регистрации волн с такими свойствами необходима очень высокая точность. Взаимодействие двух детекторов LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана) и в Хэнфорде (штат Вашингтон) и было нацелено на повышение точности измерений.

Оба детектора имеют одинаковую конструкцию: это пара перпендикулярных друг другу рукавов в виде туннеля по 4 километра в длину каждый, внутри которых туда и обратно через высокий вакуум проходит лазерный луч. 

Что произойдет, если через такой детектор пройдет гравитационная волна?

В идеале желательно чтобы волна прошла вдоль направления, перпендикулярного его плоскости, и туннели тогда образуют собой координатные оси. Тогда одно плечо детектора начнет периодически сжиматься и растягиваться, а другое будет делать тоже самое, но в противофазе. То есть когда одно плечо будет растянуто, другое будет сжато, и наоборот.

Луч лазера вначале проходит через одностороннее зеркало, которое пропускает его и отражает луч, возвращающийся из интерферометра, таким образом являясь рециркулятором мощности и позволяя вместо 750-киловаттного лазера использовать 200-ваттный. Затем луч входит в интерферометр и разделяется светоделителем на два луча, каждый из которых направляется в соответствующее плечо интерферометра и проходит резонатор Фабри-Перо около 280 раз, многократно отражаясь в конце и начале плеча, что значительно повышает чувствительность интерферометра. Затем лучи из двух плеч складываются в фотодетекторе, и разность хода между ними вызывает изменение тока в детекторе.

В самом упрощенном сравнении можно сказать, что детектор работает как микрофон. Два детектора – это как два микрофона. И вообще, чем больше детекторов, тем лучше. Именно поэтому еще несколько таких устройств строится по всему миру.

Чтобы понять, как должна выглядеть кривая изменения светимости на фотонном детекторе, ученные произвели множество компьютерных симуляции разнообразных слияний таких объектов, как черные дыры и нейтронные звезды с различными массами и в разных комбинациях.

Поэтому, когда сначала один из детекторов, а потом через 7 миллисекунд другой зарегистрировали один и тот же и тот же характерный сигнал, ученые поняли, что они впервые зафиксировали гравитационную волну, а эти 7 миллисекунд ей потребовались, чтобы пройти от одного детектора до другого со скоростью света.

Расшифровка полученных результатов показала, что волна пришла от системы из двух черных дыр, которые быстро вращались друг вокруг друга. При этом происходило излучение гравитационных волн, сигнал от которых был сначала очень слабым.

Однако, в процессе сближения скорость вращения дыр росла, росло и ускорение. В определенный момент, очень близкий к окончательному слиянию, интенсивность достигла той величины, которую можно было зарегистрировать детекторами на Земле.

В этот момент длинна волны стала короче, а амплитуда больше. На пике амплитуды произошло слияние черных дыр, и с этого момента она стала убывать.

После того, как образовался общий горизонт событий, волна полностью затухла.

Из сказанного следует, что полное совпадение полученных результатов с теорией и прогнозами компьютерного моделирования позволило ученым сделать надежный вывод о регистрации именно гравитационных волн.

И это, как уже говорилось, стало первым прямым наблюдением гравитационных волн. Но в будущем с ростом количества детекторов по всему миру и повышением их чувствительности таких наблюдений должно стать больше.