Як гравітаційні хвилі зв'яжуть Землю з іншими планетами

Астрофізики США оголосили про найбільшому науковому відкритті XXI століття. Американським вченим з допомогою детекторів гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO вдалося зафіксувати гравітаційні хвилі, передбачені 100 років тому в Загальній теорії відносності Альберта Ейнштейна. Подробиці відкриття будуть опубліковані в журналі Physical Review Letters.

По суті, гравітаційні хвилі - це брижі, на кшталт тієї, яка виникає на поверхні ставка. Вона породжується гравітацією масивних об'єктів в космосі, наприклад, чорних дір, що виникає при народженні наднових, а також від швидко обертаються нейтронних зірок. Теоретично, будь-який рухається з прискоренням важке космічне тіло повинне генерувати гравітаційні хвилі, які потім постійно і безперешкодно подорожують по космосу. Гравітація передається у вигляді спрямованих квантованих хвиль - гравітаційного випромінювання. До відкриття LIGO лише непрямі спостереження свідчили про існування такого явища. Вважалося, що зафіксувати гравітаційні хвилі неможливо: коливання дуже слабкі і земні прилади вловити їх не здатні.

Вперше про виявлення гравітаційних хвиль повідомили у 2014 році: їх нібито зафіксували вчені, які працюють на станції Амундсена-Скотта рамках проекту BICEP2. Тоді дані виявилися помилковими: спійманий сигнал був насправді викликаний не гравітаційними хвилями, а міжзоряного пилом. Але нещодавно в наукових колах про гравітаційних хвилях заговорили знову, хоча в LIGO чутки не підтверджували.

Вчора, 11 лютого, відбулася прес-конференція Національного наукового фонду США у Вашингтоні. На ній зібралися вчені з Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech), Массачусетського технологічного інституту (MIT) і міжнародного наукового співтовариства LIGO. Метою прес-конференції стало офіційне підтвердження виявлення гравітаційних хвиль.

Обсерваторія LIGO, в яку входять понад 1000 вчених з університетів в Сполучених Штатах і 15 інших країнах світу, є одним з найважливіших місць на планеті, де ведеться вивчення гравітації і пошук гравітаційних хвиль. Обсерваторія фінансується Національним науковим фондом (NSF) США. Її побудували і тепер використовують для поточних експериментів Каліфорнійський і Массачусетський технологічні інститути. Минулої осені LIGO обладнали точнейшими лазерними детекторами нового покоління, які відразу ж і "зловили" гравітаційні хвилі. Так, 14 вересня о 5:51 ранку за часом східного узбережжя США вони були зареєстровані одночасно на двох детекторах-близнюках LIGO - в штатах Луїзіана і Вашингтон.

Справа в тому, що обсерваторія складається з двох віддалених один від одного об'єктів, розташованих в різних частинах США, проте набір приладів у них однаковий. Лабораторії побудували далеко один від одного для отримання достовірної інформації: якщо одна станція виявляє який-небудь сигнал, а друга ні, це можуть бути звичайні коливання, викликані сейсмічною активністю або рухомим транспортом. А ось якщо сигнал надійшов на обидві станції, є ймовірність, що виявлена саме гравітаційна хвиля. Обидві обсерваторії LIGO зафіксували хвилю, яка прокотилася від одного детектора до іншого зі швидкістю світла. Статистична значимість сигналу дорівнює 5,1 сигма, що дозволяє говорити про відкриття, тобто такі дані не можуть бути результатом випадковості. Виходячи з часу надходження сигналів - детектор в Ливигстоне записав подія на 7 мілісекунд раніше детектора в Хэнфорде, фізики припустили, що джерело хвиль знаходився в південній півкулі.

Важливо, що зафіксована гравітаційна хвиля зберегла інформацію про феномен, який її породив. Так вдалося встановити, що вона утворилася в результаті зіткнення двох чорних дір, маса яких у 29 і 36 разів більше маси Сонця. За частки секунди дві чорні діри злилися в одну, більш масивну обертову діру. При цьому утворилися гравітаційні хвилі, максимальна потужність випромінювання яких була приблизно в 50 разів більше, ніж від усієї видимої Всесвіту.

Зіткнення чорних дір передбачене загальною теорією відносності, але раніше такого явища зафіксовано не було. Тепер підтверджено, що дві дірки, що обертаються навколо один одного, втрачають енергію на випромінювання гравітаційних хвиль. За рахунок цього вони поступово зближаються, стикаючись в останній момент зі швидкістю майже в половину швидкості світла, утворюючи одну гігантську чорну діру. При цьому частина маси злилися чорних дір перетворюється в енергію, що надходить в атмосферу у вигляді сильного сплеску гравітаційних хвиль. Саме таку хвилю і вдалося зафіксувати фахівцям LIGO.

Підтвердження виявлення гравітаційних хвиль допоможе поєднати теоретичну фізику з практикою. Вчені кажуть, що це відкриття покладе початок новій ері дослідження космосу та стане основою нового напряму - гравітаційно-хвильовий астрономії. При наявності достатньої кількості детекторів гравітаційних хвиль, вчені зможуть бачити об'єкти і явища, приховані від електромагнітного спектру. Зокрема, можна буде нарешті зрозуміти природу чорних дір. При сяйві вони не можуть виробляти сильного електромагнітного випромінювання, але зате дадуть величезний гравітаційно-хвильовий сигнал, який можна буде проаналізувати. Зібравши достатню кількість такої інформації, вчені складуть гравітаційну карту Всесвіту і краще зрозуміють що відбуваються в ній процеси: переміщення об'єктів, формування чорних дір, "червоточини", природу темної енергії і темної матерії.

На основі нових знань можна буде створити принципово нові способи переміщення в просторі і часі, досягти сверхсветових швидкостей. Зокрема, можна буде перевірити, чи справді є "червоточини" тунелями, дозволяють подорожувати в часі.

Ще одне практичне застосування гравітаційних хвиль - створення на основі спостережень за ними штучних гравітаційних полів, на базі яких виникнуть революційні технології з розряду наукової фантастики. Так, у новому номері журналу Physical Review вийшла стаття, в якій професор з бельгійського університету Намюра Андре Фузфа описав створений ним теоретичне пристрій, свого роду генератор штучного гравітаційного поля. Використовуючи такий генератор, можна побудувати, наприклад, гравітаційні двигуни та комунікації на основі гравітаційних хвиль. Такі комунікаційні технології забезпечать прямий зв'язок між двома точками в різних куточках земної кулі або навіть на різних планетах, незважаючи на відстані і наявність перешкод між ними.

Володіння технологіями створення і управління гравітаційними полями дозволить також використовувати на практиці такі фундаментальні сили, як сили сильних і слабких ядерних взаємодій, що відкриє людству дорогу в нову індустріальну еру.