Русский след в гравитационном поле

Принципиальная схема эксперимента с лазерным интерферометром по фиксации гравитационных волн. Изображение NASA

В феврале 2016 года в США в лаборатории LIGO были экспериментально зафиксированы гравитационные волны. Это большой успех ученых. Они зарегистрировали сигнал, пришедший из далекого космоса. Две черные дыры слились воедино. Их сближение происходило миллионы лет, и все это время возмущений пространства, способных создать мощные гравитационные волны, не происходило.

Однако 14 сентября 2015 года был зарегистрирован сигнал от слияния двух черных дыр. Этот процесс сопровождался гигантским даже по меркам Вселенной взрывом, что является крайне редким событием. За время слияния, длящегося всего лишь доли секунды, две черные дыры с массами 29 и 36 масс Солнца выбросили в пространство энергию, равную 50% их общей массы. Этой невероятно большой энергии хватило, чтобы, пройдя расстояние 1,3 млрд световых лет, достичь созданного учеными на Земле прибора и быть зарегистрированной им.

Волны бьются в цилиндр

100 лет назад Альберт Эйнштейн предсказал, что при взаимодействии массивных тел в космосе могут возникнуть гравитационные возмущения. Это следовало из его знаменитых уравнений общей теории относительности. В мощных гравитационных полях, создаваемых гигантскими космическими объектами, пространство-время сильно искривлено. Если же эти объекты совершают колебательное или вращательное движение, кривизна меняется.

Распространение этих изменений в пространстве рождает волны искривлений, которые и называются гравитационными. Приходящие на Землю волны оказываются, как правило, слишком слабыми, чтобы быть зарегистрированными современными приемниками. Объектами, способными давать достаточно большие сигналы, могли бы быть космические тела с колоссальными массами и огромными скоростями вращения, к которым относятся двойные звезды и пульсары.

Они создают периодическое гравитационное излучение. Однако из-за колоссального удаления их от нас, измеряемого десятками световых лет, до Земли доходит лишь ничтожная часть излучения, которую не в состоянии зарегистрировать современные детекторы. Их чувствительность более чем на 10 порядков меньше, чем нужно.

Наряду с периодическим гравитационным излучением Земли могут достигать мощные всплески излучения при возникновении астрофизических катастроф: столкновениях черных дыр и нейтронных звезд, рождениях сверхновых звезд. Такие сигналы также поступают на Землю, и их можно попытаться зарегистрировать.

Известный американский физик Джозеф Вебер из Мэрилендского университета в целях прямого экспериментального обнаружения гравитационных волн сконструировал резонансный детектор. Он представляет собой сплошной тяжелый алюминиевый цилиндр с прикрепленными к нему чувствительными пьезодатчиками по бокам. Цилиндр висел на тонких нитях в вакуумной камере и обладал хорошей виброизоляцией. При прохождении гравитационных волн цилиндр должен был бы резонировать в такт с искажениями пространства-времени. Эти колебания и регистрируют датчики. Но «поймать» гравитационные волны таким методом, названным электромеханическим, ни Веберу, ни другим ученым не удалось.

Между тем это не значило, что волн не существует в природе. Рассел Халс и Джозеф Тейлор в 1973 году представили косвенное доказательство существования гравитационных волн. Такое заключение было сделано из факта потери энергии двойными звездами – пульсарами (Нобелевская премия 1993 года). При приближении звезд друг к другу обнаруживается изменение частоты, что и позволило судить о существовании гравитационных волн. 

Однако это все-таки было не непосредственное, а всего лишь косвенное свидетельство существования загадочных волн.

Между двух зеркал

В 1962 году два российских физика, Михаил Евгеньевич Герценштейн (выпускник кафедры физики колебаний МГУ) и Владислав Иванович Пустовойт (выпускник Днепропетровского университета), опубликовали в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» статью. В ней для регистрации долгое время казавшихся неуловимыми волн предлагался оригинальный оптический метод с использованием только что созданного лазера и интерферометра Майкельсона. (Заметим, что слово «лазер» в статье взято в кавычки, поскольку этот термин в 1962 году еще не устоялся.) Это позволило существенно повысить чувствительность измерений. Схему оптических измерений можно понять из рисунка.

Параллельный пучок света от лазера разделяется на светоделительной пластинке СД на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал М1 и М2, расположенных на одинаковом расстоянии от точки разделения пучка. В этой же точке отраженные лучи опять сливаются и попадают на экран, где при отсутствии возмущений возникает интерференционная картина в виде системы полос. Волны в приборе обнаруживаются по смещению полос оптического интерферометра. Когда длина пути, по которому проходит волна, меняется, полосы смещаются на величину, пропорциональную этому изменению. Таким образом можно зарегистрировать гравитационную волну.

Сегодня Михаил Герценштейн – профессор, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института ядерной физики (НИИЯФ) МГУ им. М.В. Ломоносова, а Владислав Пустовойт – академик РАН, директор Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН, лауреат четырех Государственных премий.

Именно по пути, предложенному Герценштейном и Пустовойтом, и пошли американские исследователи Кип Торн, Роналд Древер и Рейнер Вайс, возглавившие в дальнейшем международную коллаборацию. В ее составе трудилось более тысячи ученых из США и еще из 14 стран, в том числе и из России.

Время LIGO

Для прямой регистрации волн тяготения американские ученые создали обсерваторию LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory). Были построены две гравитационные антенны, работающие по схеме совпадений – уникальное дорогостоящее и трудоемкое сооружение. Каждая антенна представляет собой две массы – сапфировые зеркала с очень высоким коэффициентом отражения, разнесенные друг от друга на 4 км, помещенные внутри вакуумных тоннелей с разряжением около 10–9 мм ртутного столба, и оптический интерферометр. Создание такого глубокого вакуума требуется для того, чтобы препятствовать рассеянию лазерного пучка на молекулах воздуха и пылинках.

Исследователи обнаружили колебания расстояния между пробными массами около 10–19 м и совпадение показаний на двух абсолютно идентичных детекторах. Сигналы были зарегистрированы еще 14 сентября 2015 года одновременно на детекторах проекта Advanced LIGO, удаленных друг от друга на расстояние 3002 км и расположенных в штатах Вашингтон и Луизиана.

Ученым повезло. Модернизированные детекторы LIGO были созданы и настроены как раз тогда, когда на них поступил сигнал. Он исходили от объектов с очень большой массой – двух черных дыр при их слиянии, сопровождаемом гигантским даже по меркам Вселенной взрывом. Это крайне редкое событие произошло 1,3 млрд лет назад в далеком от нас космосе. Сигнал оказался достаточно сильным, и его удалось зарегистрировать на детекторах. Сигнал был также и услышан – частотный диапазон, в котором принимает сейчас детектор, это звуковые частоты.

Таким образом, была достигнута основная цель проекта LIGO: получено прямое экспериментальное доказательство существования гравитационных волн. На реализацию этого проекта Соединенные Штаты Америки потратили около 620 млн долл.

Вот как выглядит список наиболее существенных, имеющих отношение к открытию и обнаружению гравитационных волн работ, по данным журнала Science Magazine (Feb. 11, 2016):

• 1915 – Albert Einstein publishes general theory of relativity, explains gravity as the warping of spacetime by mass or energy;
• 1916 – Einstein predicts massive objects whirling in certain ways will cause spacetime ripples-gravitational waves;
• 1936 – Einstein has second thoughts and argues in a manuscript that the waves don't exist-until reviewer points out a mistake;
• 1962 – Russian physicists M.E. Gertsenshtein and V.I. Pustovoit publish paper sketch optical method for detecting gravitational waves – to no notice;
• 1969 – Physicist Joseph Weber claims gravitational wave detection using massive aluminum cylinders-replication efforts fail;
• 1972 – Rainer Weiss of the Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge independently proposes optical method for detecting waves;
• 1974 – Astronomers discover pulsar orbiting a neutron star that appears to be slowing down due to gravitational radiation-work that later earns them a Nobel Prize;
• 1979 – National Science Foundation (NSF) funds California Institute of Technology in Pasadena and MIT to develop design for LIGO;
• 1990 – NSF agrees to fund $250 million LIGO experiment;
• 1992 – Sites in Washington and Louisiana selected for LIGO facilities; construction starts 2 years later;
• 1995 – Construction starts on GEO600 gravitational wave detector in Germany, which partners with LIGO and starts taking data in 2002;
• 1996 – Construction starts on VIRGO gravitational wave detector in Italy, which starts taking data in 2007;
• 2002–2010 – Runs of initial LIGO-no detection of gravitational waves;
• 2007 – LIGO and VIRGO teams agree to share data, forming a single global network of gravitational wave detectors;
• 2010–2015 – $205 million upgrade of LIGO detectors;
• 2015 – Advanced LIGO begins initial detection runs in September;
• 2016 – On 11 February, NSF and LIGO team announce successful detection of gravitational waves.

Итак, четвертая работа в списке – работа россиян.

Термодинамический шум

Сердце детектора LIGO – пробная масса, подвешенная на кварцевых нитях. Фото с сайта www.ligo.org

Над обнаружением гравитационных волн в составе LIGO работали две группы ученых из России. Первая – из Московского университета, созданная и руководимая долгие годы на физическом факультете членом-корреспондентом РАН, профессором Владимиром Борисовичем Брагинским. Он и его группа предложили концепцию зеркал для проведения эксперимента.

Поскольку Владимир Борисович хорошо понимал, что проведение полномасштабных работ по обнаружению гравитационных волн в то время в университете не представлялось возможным, он пошел по пути разработки методов и приборов регистрации сверхслабых сигналов, которые в конечном счете потребовались для обнаружения гравитационных волн. Приборы должны были обладать огромной чувствительностью и быть малошумящими.

Был решен ряд важнейших проблем, направленных на максимальное повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, выявление их термодинамических и квантовых ограничений. Результаты этих работ как раз и были использованы при создании сверхчувствительных детекторов, позволивших провести прямое наблюдение гравитационных волн.

Брагинский предложил использовать в качестве подвеса для пробных масс вместо металлической кварцевую нить. На эту мысль его натолкнули опыты профессора Московского университета Петра Николаевича Лебедева, использовавшего в 1899 году стеклянную нить в опытах по измерению давления света (прибор Лебедева хранится в музее физического факультета и поныне).

Нить из плавленого кварца оказалась лучше не только металлической, но и нити из сапфира. По своим свойствам кварц вообще оказался наилучшим материалом. При кварцевых подвесах отсутствуют избыточные механические шумы, что особенно важно в случае, когда речь идет о сверхслабом сигнале.

Брагинский с сотрудниками при начальных консультациях профессора физического факультета Арсения Александровича Соколова, известного специалиста в области квантовой теории, также развил теорию квантовых измерений. Ими был установлен предел чувствительности в экспериментах с пробными свободными массами (так называемый стандартный квантовый предел). Авторы показали также, что чувствительность гравитационной антенны с малой диссипацией близка к квантовому пределу.

В МГУ под руководством профессора Валерия Павловича Митрофанова (руководитель Московской группы коллаборации LIGO) и Леонида Георгиевича Прохорова детально исследованы шумы от электрических зарядов на кварцевых зеркалах детекторов. Дело в том, что движущиеся заряды генерируют шумы. Найдены режимы медленного растекания зарядов, наиболее благоприятные при проведении измерений. Ученые обнаружили новую разновидность термодинамических шумов в зеркалах детектора.

Вторая группа российских ученых – сотрудники Института прикладной физики (ИПФ) Российской академии наук (Нижний Новгород) – работает под руководством члена-корреспондента РАН Александра Михайловича Сергеева. Наиболее существенным вкладом этого коллектива стало создание уникальных оптических изоляторов, работающих при большой мощности лазерного излучения. Созданные в ИПФ изоляторы установлены на детекторах LIGO. В настоящее время в Нижнем Новгороде разрабатывается лазер для детектора гравитационных волн следующего поколения.

Следует отметить также роль еще одного ученого – выходца из России –  Сергея Клименко. Этот выпускник Новосибирского государственного университета ранее работал в Институте ядерной физики Сибирского отделения РАН. Сейчас он сотрудник Флоридского университета в США. С помощью его алгоритма анализа сигналов, разработанной им сложной компьютерной программы оказалось возможным вычленять нужную информацию из потока посторонних шумов. Это и позволило обнаружить гравитационные волны.

Возможность регистрации гравитационных волн позволяет надеяться на реализацию некоторых глобальных замыслов. Открывается новое окно во Вселенную, приближающее ученых к разгадке многих космологических тайн. Появляется возможность для создания новой гравитационно-волновой астрономии.

Обнаружение гравитационных волн может иметь не меньшее значение, чем открытие радиоволн. Не исключено даже, что возникнет новый вид связи. Будут созданы генераторы и приемники гравитационных волн. Ученые надеются наконец выяснить, что такое темная энергия и темная материя. Они собираются поймать волны от Большого взрыва. Возможно, им удастся создать и теорию «Всего» или теорию всеобщего объединения. Эта теория должна объединить все четыре фундаментальных физических взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Прямое экспериментальное обнаружение волн гравитации многие эксперты считают важнейшим научным достижением последних десятилетий и даже всего XXI века.