Ученым удалось зафиксировать гравитационные волны, которые предсказывал еще Альберт Эйнштейн. Сигнал от гравитационных волн акустического диапазона был получен в обсерватории LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory), расположенной в США. По словам ученых, это достижение ознаменует новый этап в исследовании космоса. Об открытии было объявлено на пресс-конференции Национального научного фонда США, передает агентство Reuters.
Научная статья с результатами исследования была принята к публикации в специализированном журнале Physical Review Letters и уже появилась на сайте издания. Астрофизик и популяризатор науки Сергей Попов уже после официального объявления о научном открытии объяснил русскоязычной общественности всю важность этого прорыва, однако признал, что ученым из LIGO во многом "просто повезло".
Представители научной коллаборации LIGO в Вашингтоне объявили, что это поворотное открытие, которое проложит путь для нового этапа исследования космоса. "Мы поймали гравитационные волны, мы сделали это!" - отмечают ученые.
Гравитационные волны зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 05:51 утра по североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенных в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США.
Детекторы LIGO обнаружили относительные колебания величиной в 10 в минус 19-й степени метров (это примерно равно отношению диаметра атома к диаметру яблока) пар разнесенных на четыре километра пробных масс.
Источником волн ученые назвали слияние двух черных дыр массой около 29 и 36 масс Солнца. Физики называют сигнал "очень специфическим". В частности, было зафиксировано повышение частоты колебаний со временем - как раз то, что предсказывает общая теория относительности для сливающихся массивных объектов (чем ближе они подходят друг к другу, тем выше частота вращения и частота испускаемых гравитационных волн).
Когда волны достигли Земли, они сместили луч лазерного детектора на одну тысячную диаметра протона. Полученные колебания группа ученых преобразовала в звук. Аудиозапись уже появилась в свободном доступе в интернете.
Гравитационные волны - прямое следствие уравнений общей теории относительности, предложенных Альбертом Эйнштейном в 1915 году. Они описываются уравнениями волнового типа, их решения соответствуют возмущениям пространства-времени, движущимся со скоростью света. В отличие от электромагнитных, интенсивность гравитационных волн на много порядков меньше, поэтому обнаружить их удалось лишь спустя 100 лет с момента появления гипотезы, объясняют эксперты.
#LIGO has found gravitational waves - but what are they? http://t.co/yCT4HQAtLPhttp://t.co/ubGx6ztq6z
— Reuters Top News (@Reuters) February 11, 2016
Обсерватория LIGO финансируется Национальным научным фондом США и построена по предложенной в 1980 году инициативе американских физиков Кипа Торна и Рональда Дривера. Стоимость установки оценивается в 370 миллионов долларов. Исследования в LIGO осуществляются в рамках одноименной коллаборации более чем тысячью ученых из США и 14 других стран, включая Россию, представленную двумя группами - из МГУ и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).
Московскую группу создал и вплоть до последнего времени возглавлял Владимир Брагинский - один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире, напоминает Lenta.ru. В состав научной группы, включенной в число соавторов научного открытия, входят семь сотрудников кафедры физики колебаний МГУ, включая руководителя коллектива - Валерия Митрофанова. Группа участвует в проекте с 1992 года и занимается повышением чувствительности гравитационно-волновых детекторов и определением ее фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений.
Теоретические и экспериментальные исследования физиков из МГУ нашли свое воплощение при создании детекторов нового поколения, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух черных дыр. В процессе работы группы над проектом LIGO были получены результаты, важные не только для поиска гравитационных волн, но и для физики в целом. "Научное значение этого открытия огромно. Как и в случае электромагнитных волн, мы осознаем его в полной мере через некоторое время", - пояснил Митрофанов.
#LIGO saw gravitational waves from two black holes merging - here's the signal pic.twitter.com/dbhQbOtwka
— Jacob Aron (@jjaron) February 11, 2016
Гравитационные волны и теория Большого взрыва
Летом 2014 года американские астрофизики, ранее заявлявшие о том, что у них есть свидетельство существования первичных гравитационных волн, порожденных Большим взрывом, признали, что "не уверены" в своем результате.
Тогда ученые, работавшие в антарктической обсерватории BICEP2, опубликовали результаты своего исследования, названные ранее сенсационными, в научном журнале Physical Research Letters. После чего восхищения в рядах научного сообщества заметно поубавилось: в статье отмечалось существование белых пятен по поводу исследуемого предмета. А во время публичной лекции в Лондоне один из главных физиков BICEP2 - профессор Клем Прайк из Университета Миннесоты - признал, что обстоятельства изменились и его уверенность в том, что потрясающее открытие действительно было совершено, уменьшилась.
В марте 2014 года заявление ученых о том, что им удалось обнаружить следы первичных гравитационных волн, возникших после Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад, вызвало большой общественный резонанс. В настоящее время теория появления Вселенной предполагает, что начало миру положил Большой взрыв, который физики называют "моментом инфляции". Сразу после взрыва началась инфляционная стадия - непрерывное скачкообразное расширение Вселенной (в 2006 году было найдено доказательство существования такой стадии).
Многие ученые, в том числе и российские, заявляли, что на этой стадии появились огромные гравитационные волны, которые позволяли Вселенной расширяться. Согласно теории, именно из-за гравитационных волн маленькие колебания на уровне атома превращались в гигантские возмущения, которые создавали галактики.
По данным американских ученых, озвученным в марте 2014 года, им удалось обнаружить следы гравитационных волн на карте реликтового излучения. Их предполагаемое открытие было совершено с помощью телескопа BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), задача которого - измерение поляризации реликтового излучения, которое так же возникло в момент рождения Вселенной.
Весной того же года критики исследования заявили, что изменение поляризации, об обнаружении которого заявили американские ученые, могло быть вызвано какой-либо другой причиной, а не являться следом первичных гравитационных волн. Критика значительно усилилась после того, как были опубликованы данные телескопа "Планк", отличные от данных BICEP2.
Инфракрасный телескоп космического аппарата, названного в честь основателя квантовой физики Макса Планка, работает ниже температуры реликтового излучения, что позволяет получить уникальную информацию о температуре самого излучения. Его данные, как предполагают физики, непременно заслуживают доверия.
Отметим, что ранее эксперты предполагали, что подобное открытие сделало бы ученых, имеющих отношение к исследованию гравитационных волн, серьезными претендентами на Нобелевскую премию. Об инфляционной теории еще в 1979 году заявил молодой советский ученый (ныне - главный научный сотрудник Института теоретической физики имени Льва Ландау) Алексей Старобинский. Потом, в 1981 году, американец Алан Гут применил термин "космологическая инфляция", а в 1982 году московский физик Андрей Линде (сменивший затем гражданство на американское) предложил свою модель новой теории. В 2013 году Старобинскому была вручена престижная премия Грубера.
Ученые обнаружили сигнал гравитационных волн на частоте, соответствующей человеческой речи
По мнению астрофизика и популяризатора науки Сергея Попова, ученым из LIGO удалось сделать поворотное открытие во многом благодаря везению. "Практически как только они включились, они увидели сигнал - слияние двух очень массивных черных дыр. Сигнал очень сильно зависит от массы. В норме, в среднем черные дыры раза в три, а то и в четыре полегче, но в этом случае удалось увидеть сигнал с очень большого расстояния", - пояснил он в интервью "Медузе".
Ученый также простым языком объяснил всю суть явления гравитационных волн. "Начиная с общей теории относительности, мы считаем, что гравитация связана с геометрией пространства-времени; современные теории гравитации - геометрические. В этих теориях геометрию пространства описывают метрикой: на плоскости это легко нарисовать - такой ковер, разлинованный в клеточку. Это плоское пространство. Мы можем его по-всякому изгибать, но лучше делать это не руками, а, например, массивными телами - любое тяжелое тело искажает пространство вокруг себя. Дальше - если это тяжелое тело будет ерзать, или, к примеру, два тяжелых тела будут крутиться вокруг общего центра звезды, то они будут периодически возмущать пространство, и по пространству побежит рябь. Вот это и есть гравитационные волны", - объяснил Попов.
По его словам, тот факт, что только сейчас ученым удалось зафиксировать гравитационные волны, объясняется в первую очередь появлением подходящей аппаратуры. "Детектор LIGO, детектор VIRGO, который скоро начнет работать в Европе, - это совершенно потрясающие машины по точности измерений. До этого люди использовали более дешевые, более простые подходы. LIGO - это 25 лет труда, огромные суммы денег, потраченные в первую очередь на исследования, на создание новых технологий, на доведение этих технологий до ума и на изготовление этих потрясающе точных приборов", - отметил Попов.
В разговоре с журналистами астрофизик также объяснил, почему сигнал, зафиксированный LIGO, был представлен в виде звука. "Во-первых, люди любят картинки и звуки. Поэтому многие сигналы - колебания звезд, еще какие-то - переводят в звуковую форму. Но здесь волею судеб сигнал на самом деле приходит на частоте, примерно соответствующей частоте нашей речи. Физически это явления разные, но частоты те же - килогерцы. Поэтому ученые решили, что это такой красивый ход. Нарисованный график, принятый в ходе опыта, говорит о форме гравитационно-волнового сигнала, о том, как волна колеблет зеркала в измерительном приборе. Но обычно люди хотят не просто загогулину увидеть, а получить какой-то мультимедийный контент", - резюмировал ученый.
