Гравитационные волны обнаружены через
100 лет
после предсказания Эйнштейна
Выпуск Новостей • 11 февраля 2016
переведено И.М. Капитоновым
ЛИГО открывает новое окно во Вселенной с помощью наблюдения гравитационных волн
от столкновения черных дыр.
Вашингтон, округ Колумбия/Cascina, Италия
Впервые
ученые наблюдали рябь в ткани пространства-времени, называемую гравитационными
волнами, прибывающими на Землю от катастрофических событий в далекой Вселенной.
Это подтверждает важное предсказание общей теории относительности Альберта
Эйнштейна 1915 и открывает новое беспрецедентное окно в космос.
Гравитационные волны несут информацию об их драматическом происхождении и о
природе гравитации, которые не могут быть получены иначе. Физики пришли к
выводу, что обнаруженные гравитационные волны возникли в последнюю долю секунды
слияния двух черных дыр, образующих единую, более массивную вращающуюся черную
дыру. Это столкновение двух черных дыр было предсказано, но никогда не
наблюдалось.
Гравитационные волны были обнаружены 14 сентября 2015 года в 5:51 утра по
восточному летнему времени (09:51 по UTC) двумя лазерными Интерферометрами
гравитационно-волновой обсерватории (ЛИГО), расположенными в городах Ливингстон,
штат Луизиана, и Хэнфорд, штат Вашингтон, США. Обсерватория ЛИГО финансируется
Национальным научным Фондом (NSF,
ННФ), и была задумана, построена и находится в ведении Калифорнийского
технологического института и Массачусетского технологического института.
Открытие, принятое для публикации журналом Physical Review Letters, было сделано
научным сотрудничеством ЛИГО, которое включает в себя GEO Collaboration,
Австралийский консорциум для Интерферометрической гравитационной астрономии и
Virgo Collaboration, использующие данные от двух ЛИГО-детекторов.
На основе наблюдаемых сигналов, учёные ЛИГО подсчитали, что черные дыры в этом
событии имели в 29 и 36 раз большие массы, чем масса Солнца, и событие произошло
1,3 млрд. лет назад. Примерно масса в 3 раза большая массы Солнца в доли секунды
превратилась в гравитационные волны с пиковой выходной мощностью примерно в 50
раз больше той, которая исходит от всей видимой Вселенной. Учтя, что время
сигнала с детектора в Ливингстоне опережало на 7 миллисекунд время сигнала с
детектора в Хэнфорде, ученые смогли сказать, что источник был расположен в Южном
полушарии.
Согласно общей теории относительности, пара черных дыр, вращающихся друг
относительно друга, теряет энергию на излучение гравитационных волн, заставляя
эти чёрные дыры постепенно сближаться в течении миллиардов лет, причём
существенно быстрее в последние минуты. Во время финальной доли секунды, две
черные дыры сталкиваются друг с другом со скоростью равной почти половине
скорости света и образуют единую более массивную черную дыру, превращая часть
суммарной массы черных дыр в энергию согласно формуле Эйнштейна Е=mc2. Эта энергия
высвобождается в виде сильного всплеска гравитационных волн. Именно эти
гравитационные волны и зарегистрировала ЛИГО.
Существование гравитационных волн впервые былo
продемонстрировано в 1970-х и 80-х годах Джозефом Тейлором-младшим (Joseph
Taylor, Jr.) и коллегами. Тейлор и Рассел Халс (Russell Hulse) обнаружили в 1974
бинарную систему, состоящую из пульсара на орбите вокруг нейтронной звезды.
Тейлор и Джоел М. Вейсберг (Joel M. Weisberg) в 1982 году обнаружили, что орбита
пульсара медленно сокращается с течением времени, благодаря выбросу энергии
повидимому в виде гравитационных волн. За обнаружение этого пульсара и
демонстрацию того, что его поведение может быть объяснено излучением
гравитационных волн, Халс и Тейлор получили Нобелевскую премию по физике в 1993
году.
Новое открытие, совершённое ЛИГО, является первым наблюдения самих
гравитационных волн, сделанное путем измерения крошечных возмущений, которые эти
волны производят в пространстве и времени в момент их прохождения сквозь Землю.
“Наше наблюдение гравитационных волн реализует амбициозную цель, поставленную 5
десятилетий назад, по непосредственному обнаружению этого неуловимого явления, и
лучшему пониманию Вселенной, и, соответственно,
реализует наследие Эйнштейна к
100-летию его общей теории относительности”, - говорит Дэвид Х. Рейц (David H.
Reitze) из Калифорнийского технологического института, являющийся исполнительным
директором лаборатории ЛИГО.
Открытие стало возможным благодаря расширенным возможностям улучшенного варианта
ЛИГО, крупная модернизация которого повысила его чувствительность по сравнению с
первым поколением ЛИГО, позволив существенно увеличить прощупываемый объем
Вселенной и обнаружить гравитационные волны при его первом же запуске.
Национальный научный Фонд США осуществляет финансовую поддержку
модернизированной ЛИГО. Финансирующие организации Германии (общество Макса
Планка), Великобритании (Совет по Науке и Технологии, STFC) и Австралии
(Австралийский исследовательский Совет) также осуществили значительные вложения
в проект. Несколько ключевых технологий, которые сделали новую ЛИГО гораздо
чувствительнее, были разработаны и протестированы Германо-Английским
GEO-сотрудничеством. Значительные компьютерные ресурсы были выделены
Атлас-Кластером Ганноверского института Альберта Эйнштейна (AEI
Hannover Atlas Cluster), Лабораторией ЛИГО (the
LIGO Laboratory),
Сиракузским университетом и университетом Висконсина-Милуоки. Несколько
университетов разработали, построили и испытали основные компоненты для
продвинутых ЛИГО: Австралийский Национальный университет, университет Аделаиды,
университет Флориды, университет Стэнфорда, Колумбийский университет города
Нью-Йорк, и Государственный ниверситет Луизианы.
“В 1992 году, когда первоначальное финансирование ЛИГО было утверждено, оно
представляло самую крупную инвестицию, которую Национальный Научный Фонд США
(ННФ) когда либо делал”, - сказала Франция Кордова (France Cоrdova), - директор
ННФ. “Это был большой риск. Но Национальный Научный Фонд - это орган, который
принимает эти виды рисков. Мы поддерживаем фундаментальные науки и инженерию на
их пути к открытию, даже если эти пути не вполне очевидны. Мы - основной
источник финансирования. Именно поэтому США продолжают оставаться мировым
лидером в продвижении знаний.”
Исследования ЛИГО осуществляются научным сотрудничеством ЛИГО (LIGO Scientific
Collaboration (LSC)) - группой из более чем 1000 ученых из университетов США и
14-ти других стран. Более чем 90 университетами и научно-исследовательскими
институтами в LSC развиваются технологии детектирования и анализа данных;
приблизительно 250 студентов являются полезными членами коллаборации.
Детекторная сеть LSC включает ЛИГО интерферометры и детектор GEO600. В
GEO-команду
входят ученые из Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта
Эйнштейна,
AEI),
университета Лейбница в Ганновере, вместе с партнерами из университетов Глазго,
Кардиффа, Бирмингема, других университетов Великобритании и университета
Балеарских островов в Испании.
“Это обнаружение - начало новой эры: область гравитационно-волновой астрономии
стала реальностью”, - сказала Габриэла Гонсалес (Gabriela González),
пресс-секретарь LSC и профессор физики и астрономии университета штата Луизиана.
ЛИГО была первоначально предложена в качестве средства обнаружения
гравитационных волн в 1980 Райнером Вайсом (Rainer Weiss), почётным профессором
физики Массачусетского технологического института; Кипом Торном (Kip Thorne),
почётным Фейнмановским профессором теоретической физики из Калифорнийского
технологического института и Рональдом Древером (Ronald Drever), почётным
профессором физики также из Калифорнийского технологического института.
“Это наблюдение прекрасно описано в общей теории относительности А. Эйнштейна,
сформулированной 100 лет назад и представляет собой первый тест теории сильной
гравитации. Было бы чудесно увидеть лицо Эйнштейна, если бы мы были в состоянии
сказать ему об этом,” сказал Вайс.
“С этим открытием мы, люди, вступаем в новую дивную область (quest)
исследований: область исследований деформированных частей Вселенной
- объектов и явлений, которые сделаны из искривлений
пространства-времени. Столкновения черных дыр и гравитационные волны - наши
первые прекрасные образцы этого,” сказал Торн.
Исследования
Virgo
осуществляются
Virgo
Collaboration, состоящей из более 250 физиков и инженеров, принадлежащих 19-ти различным
европейским исследовательским группам: 6-ти из Национального центра научных
исследований Франции (CNRS); 8-ми из Национального института ядерной физики
Италии (INFN); 2-м в Нидерландах (Nikhef); группе RCP Вигнера в Венгрии; группе
POLGRAW в Польше; и Европейской гравитационной обсерватории (EGO),
осуществляющей функционирование детектора
Virgo
недалеко от Пизы в Италии.
Фульвио Риччи (Fulvio Ricci), пресс-секретарь
Virgo,
отмечает, что “это событие является важной вехой для физики, но более важно
просто начало многих новых и интересных астрофизических открытий, которые будут
поступать с ЛИГО и
Virgo.”
Брюс Аллен (Bruce Allen), управляющий директор Института гравитационной физики
Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна), добавляет, “Эйнштейн думал, что
гравитационные волны слишком слабы, чтобы их можно было обнаружить, и не верил в
черные дыры. Но я не думаю, что он продолжал бы на этом настаивать!”
“Улучшенная ЛИГО - крупное достижение науки и техники, что стало возможным
благодаря поистине исключительной Международной команде техников, инженеров, и
ученых,” сказал Дэвид Шумахер (David Shoemaker) из Массачусетского
технологического института, руководитель проекта улучшенной ЛИГО. “Мы очень
гордимся тем, что мы закончили этот финансируемый Национальным Научным Фондом
США проект вовремя и в рамках бюджета.”
В
каждой из двух обсерваторий ЛИГО с L-образными интерферометрами длиной в 2,5
мили (4 км) используется лазерный луч расщепляющийся на два луча, которые
движутся взад и вперед в трубе диаметром четыре фута, в которой поддерживается
почти идеальный вакуум. Эти пучки используются для контроля расстояния между
зеркалами точно расположенными в концах плечей интерферометра. Согласно теории
Эйнштейна, расстояние между зеркалами будет изменяться на бесконечно малую
величину, когда гравитационная волна проходит через детектор. Изменение длин
плечей меньше одной десятитысячной диаметра протона (10-19
м) могут быть обнаружены.
“Достижение этого фантастического рубежа стало возможным благодаря глобальному
сотрудничеству ученых -
лазер и технологии подвески, разработанные для нашего GEO600-детектора были
использованы, чтобы помочь сделать улучшенную ЛИГО самым сложным
гравитационно-волновым детектором из когда-либо созданных”, - сказала Шейла
Роуэн (Sheila Rowan), профессор физики и астрономии в университете Глазго.
Независимые и далеко отстоящие друг от друга обсерватории необходимы, чтобы
определить направления событий, являющихся причиной гравитационных волн, а также
- чтобы убедиться, что сигналы приходят из космоса а не от каких-то других
местных явлений. В связи с этим лаборатория ЛИГО тесно сотрудничает с учеными из
Индии в Межуниверситетском Центре по Астрономии и Астрофизике, Raja Ramanna
Центре перспективных технологий, Институте Плазмы, чтобы создать третий
улучшенный детектор ЛИГО на Индийском субконтиненте. При ожидающемся одобрении
правительства Индии этот детектор мог бы функционировать уже в начале следующего
десятилетия. Этот дополнительный детектор позволит значительно улучшить
способность глобальной сети для локализации гравитационно-волновых источников.
“Надеемся, что первое наблюдение гравитационных
волн позволит ускорить строительство глобальной сети детекторов для определения
точного расположения гравитационных источников в эпоху мультисетевой астрономии”,
- сказал Дэвид Маклелланд (David McClelland), профессор физики и директор Центра
гравитационной физики Австралийского Национального университета.
Калифорнийский технологический институт,
Массачусетский технологический институт,
Национальный Научный Фонд США,
Virgo,
GEO,
Совет по
науке и технологии Великобритании,
Институт Макса Планка по гравитационной физике (Ганновер).
